eaux souterraines des roches dures du socle

Les eaux souterraines

des roches dures du socle

Projet 8.6 du

Programme hydrologique international

Texte préparé par le Comité du projet sous la présidence de Ingemar Larsson

Unesco

Les appellations employées dans cette publication et la présentation des données qui y figurent n’impliquent de la part de I’Unesco aucune prise de position quant au statut juridique des pays, territoires, villes ou zones, ou de leurs autorités, ni quant au tracé de leurs frontières ou limites.

Publié en 1987

par l’Organisation des Nations Unies pour l’éducation, la science et la culture 7, place de Fontenoy, 75700 Paris, France Imprimé par :

Imprimerie de la Manutention, Mayenne (France)

Études et rapports d’hydrologie

. - . . - -___. .---^-.-..- _II^.-.

Quelques titres dans cette collection:

5. Debit de certains cours d’eau du monde. (Multilingue anglais/français/espagnol/russe.) Vol. III (partie IV): Débits mensuels moyens et debits extrêmes (1976-1979). 1985.

30. Pollution et protection des aqut$?res. 1986. (Publié également en anglais et en arabe.)

31. Methods of computation of the water balance of large lakes and reservoirs. (Publié en anglais seulement.) Volume 1: Methodology. 1981.

Volume II: Case studies. 1985.

32. Application of results from representative and experimental basins. 1982. (Publié en anglais seulement.) 33. Les eaux souterraines des roches dures du socle. 1987. (Publié également en anglais et en espagnol.)

34. Ground-water models. Volume 1: Concepts, problems and methods of analysis with examples of their application. 1982.

(A paraître également en espagnol.)

35. Problemes d’érosion, transport solide et sedimentation dans les bassins versants. 1986. (Publié également en anglais.) 36. Methods of computation of low stream flow. 1982. (Publié en anglais seulement.)

37, Aspects spécifiques des méthodes de calcul pour les études hydrologiques. Actes du symposium de Leningrad, 1977. 1981.

(Publié seulement en Russe.)

38. Methodes de calculpour les études hydrologiques concernant l’aménagement des eaux. 1985. (Publié également en anglais.) 39. Aspects hydrologiques des sécheresses. 1987. (Publié également en anglais.)

40. Guidebook to studies of land subsidence due to ground-water withdrawal. 1985. (Publié en anglais seulement.) 41. Guide to the hydrology of carbonate rocks. 1984. (Publié en anglais seulement.)

42. Water and energy: demand and effects. 1985. (Publié en anglais seulement.) 43. Manual on drainage in urbanized areas. (Publié en anglais seulement.)

Volume 1: Planning and design of drainage systems. 1987.

Volume II: Data collection and analysis for drainage design. 1987.

44. The process of water resourcesproject planning: a systems approach. 1987. (Publié en anglais seulement.) 45. Groundwater problems in coastal areas. 1987. (Publié en anglais seulement.)

46. The role of water in socio-economic development. (A paraître.)

47. Communication strategies for heightening awareness of water. 1987. (Publié en anglais seulement.)

48. Casebook of methods for computing hydrologicalparameters for water projects. 1987. (Publié en anglais seulement.)

Préface

Si la quantité totale d'eau présente sur terre est généralement supposée à peu près constante, l'accroissement rapide de la population joint à l'extension de la culture irriguée et au développement industriel influencent fartent la quantité et la qualité de l'eau dans la nature. Face à l'aggravation des problZmes gui se posent, l'homme a commencé à prendre wn- science du fait qu'il ne pouvait plus considérer l'eau ni aucune autre ressource naturelle ccanne bonne à "jeter après usage". Dès lors, la nécessité d'une politique cohérente de gestion rationnelle des ressources en eau s'est imposée.

Mais cette gestion rationnelle ne saurait se fonder que sur la connaissance approfondie du cycle de l'eau, de ses variations et de ses disponibilités. Afin de concourir à la solution des problèmes posés par l'eau dans le monde, 1'Unesw a lancé en 1965 le premier programmk mondial d'étude du cycle hydrologigue : la Décennie hydrologigue internationale (DHI). Le programne de recherche entrepris a été complété par un effort vigoureux d'éducation et de for- nation en matière d'hydrologie. Les activitiés de la Décennie se sont révélées du plus haut

intérêt et d'une utilité considérable pour les Etats membres. Au bout de ces dix années, la majorité des Etats membres de 1'Unesw avaient constitué des comités nationaux de la DHI pour mener à bien des activités nationales et participer à des actions de coopération régionale et internationale dans le cadre du programme de la Décennie. La connaissance des ressources en eau du monde s'était sensiblement améliorée. Partout l'hydrologie acquérait droit de cité en tant gue spécialisation professionnelle à part entière, et des moyens de former des hydrologues avaient été créés.

Consciente de la nécessité d'élargir ces efforts en utilisant l'élan imprimé par la Décen- nie hydrologigue internationale, l'Unesw, donnant suite aux reccmman dations des Etats membres, a lancé en 1975 un nouveau programme intergouvernemental à long terme : le Programme hydro- logique international (PHI), destiné à prolonger la Décennie.

Bien gue le PH1 soit essentiellement un prograrmne de recherche et d'éducation, l'llnesw est consciente depuis le début de la nécessité d'en orienter les activités vers la solution pratique des problèmes très réels liés dans le monde aux ressources en eau. C'est pourquoi les objectifs du Programme hydrologigue international ont été progressivement élargis, wnformément aux reccmmaradations de la Conférence sur l'Eau organisée par l'Organisation des Nations Unies afin gue le Programme porte non seulement sur l'étude des mécanismes hydrologiqes considérés dans leurs relations avec l'environnement et les activités humaines, mais aussi sur les aspects scientifiques de l'utilisation et de la conservation des ressources en eau à des fins diverses, de façon à répondre aux besoins du développement économique et social. Sans détourner le PH1 de sa finalité scientifique, on a ainsi réorienté sensiblement les objectifs vers une approche multidisciplinaire de l'évaluation, de la planification et de la gestion rationnelle des

ressources en eau.

Au titre de sa contribution à la réalisation des objectifs du PHI, 1'Unesw publie deux collections : "Etudes et rapports d'hydrologie" et "Notes techniques d'hydrologie". En outre, afin d'accélérer l'échange des informations dans les ckxnaines où celles-ci sont particulière- ment demandées, elle publie des travaux de nature préliminaire sous la forme de documents techniques.

Le but de la collection "'Etudes et rapports d'hydrologie" , dont fait partie le présent volume, est de présenter les données rassemblées et les principaux résultats obtenus lors d'enquêtes hydrologigues ainsi gue des informations sur les techniques de recherche en hydro- logie. Les actes de wllogues y figurent parfois également. On espère que ces ouvrages auront un intérêt à la fois pratique et théorique pour les spécialistes en hydrologie et pour toutes les personnes gui participent à l'évaluation, à la planification et à la gestion rationnelle des ressources en eau.

Table des matières

AVANT-PROPOS 11

1. INTRODUCTION 13

2. HYDROGEOLOGIE

2.1. Caractéristiques géologiques

2.1.1. Paramétres locaux et généraux des roches 2.1.2. Roches dures non altérées et fracturées

2.1.2.1. Propriétés pétrographiques générales 2.1.2.2. Porosité des fractures

2.1.2.3. Fractures produites par les mouvements tectoniques 2.1.2.4. Fractures non tectoniques

2.1.2.5. Echelle des réseaux de fractures 2.1.3. Roches dures altérées

2.1.3.1. Caractères généraux 2.1.3.2. Processus d'altération 2.1.3.3. Régimes pédogéniques

2.1.3.4. Profil de la couche altérée

2.1.3.5. Etendue et épaisseur de la couche altérée 2.2. Caractéristiques hydrogéologiques

2.2.1. Traits généraux

2.2.2. Importance hydrologique des fractures

2.2.2.1. Capacité d'emmagasinement caractéristique de différents types de roches

2.2.2.2. Caractéristique des capacités d'emmagasinement de divers types de fractures

2.2.3. Capacités aquifères et débits des puits 2.2.3.1. Introduction

2.2.3.2. Débits typiques de puits dans les roches dures du socle

2.2.3.3. Types de fractures

2.2.3.4. Effet de la fracturation sur la production d'eau souterraine

2.2.3.5. Rapport entre le débit et la profondeur d'un puits 2.2.3.6. Influence du type de roche

2.2.3.7. Présence d'eau souterraine dans les roches dures du socle de divers pays

2.3. Caractéristiques hydrochimiques

2.3.1. Origine des composants chimiques 2.3.1.1. Eléments chimiques principaux 2.3.1.2. Eléments chimiques mineurs 2.3.2. Modifications de la composition chimique

2.3.2.1. Modifications de surface

17 17 17 18 18 20 20 36 38 40 40 40 43 45 45 55 55 57 58 61 64 64 65 65 68 69 71 73 74 74 74 74 75 75

2.3.2.3. Réactions chimiques et équilibres dans la zone non saturée

2.3.2.4. Réactions dans la zone saturée 2.3.3. Autres aspects

2.3.3-l. Utilisation des isotopes de l'environnement 2.3.3.2. Aspects de la concentration en chlorures

des eaux souterraines

2.3.3.3. Eaux salées et saumâtres dans les roches dures 2.3.4. Caractère approprié de la qualité de l'eau et problèmes

éventuels

2.3.4.1. Caractéristiques locales de la qualité des eaux souterraines

2.3.4.2. Concentration en fluorures 2.3.4.3. Concentration en nitrates

2.3.4.4. Concentration en fer et en manganese 2.3.4.5. Eaux agressives

75 79 80 80 80 81 81 81 82 83 83 83

3. ETUDE, EVALUATION ET MISE EN VALEUR 85

3.1. Introduction 85

3.1.1. Les différents stades d'étude 85

3.1.2. Rapport entre l'objet de l'étude et le financement 86

3.1.3. Examen et choix des méthodes 86

3.2. Etudes des eaux souterraines 3.2.1. Techniques de télédétection

3.2.1.1. Modes de télédétection

3.2.1.2. Interprétation photographique 3.2.1.3. Applications

3.2.2. Méthodes géophysiques

3.2.2.1. Aspects des méthodes géophysiques 3.2.2.2. Méthodes géophysiques aéroportées

3.2.2.3. Méthodes géophysiques utilisées sur le terrain

87 87 87 92 95 98 98 98 104

3.3. Evaluation et mise en valeur des eaux souterraines 124

3.3.1. Introduction 124

3.3.1.1. Puits excavés 125

3.3.1.2. Puits forés 129

3.3.2. Stratégies d'exploration 134

3.3.2.1. Introduction 134

3.3.2.2. Méthodes types d'exploration sur le terrain 135

3.3.2.3. Plan d'action intégré 138

3.3.2.4. Applications de l'approche intégrée 141

3.3.3. Méthodes de construction de puits et mise en valeur du

potentiel aquifsre souterrain 153

3.3.3.1. Puits excavés 154

3.3.3.2. Puits forés 156

3.3.4. Méthodes de forage 158

3.3.5. Interprétation géologique des données fournies par les

forages de reconnaissance 161

3.3.5.1. Introduction 161

3.3.5.2. Renseignements géologiques directs sur la sub-surface 163 3.3.5.3. Renseignements géologiques indirects sur la

sub-surface. Diagraphie des forages 164

3.3.6. Tests sur les aquiféres et hydraulique des puits 170

3.3.6.1. Introduction 170

3.3.6.2. Considérations pratiques 170

3.3.6.3. Théorie et pratique des essais par pompage 175

3.3.6.4. Applications sur le terrain 191

3.3.7. Rendement des puits 192

3.3.8. Interprétation hydrologique des informations sur la chimie des eaux

3.3.8.1. Relations entre la chimie et la circulation des eaux souterraines

3.3.8.2. Effets des pompages de longue durée 3.3.8.3. Divers aspects de la pollution

3.3.9. Facteurs socio-économiques 3.3.9.1. Introduction

3.3.9.2. Coût de l'exploration 3.3.9.3. Longévité de l'équipement

3.3.9.4. Analyse des coûts d'installation pour les eaux souterraines

3.3.9.5. Systémes a faible capacité

3.3.9.6. Philosophie des forages de reconnaissance 3.3.9.7. Abandon de puits

193 193 195 195 197 197 197 200 202 207 208 209

4. COMPTES RENDUS DE REALISATIONS 213

4.1. Mise en valeur de l'eau souterraine des roches métamorphiques

du Précambrien supérieur du haut-bassin du Rio Paraguay, Mato-Gross,

Brésil 213

4.2. Recherche d'eau souterraine dans le Précambrien du nord du Cameroun 220 4.3. Utilisation de l'eau souterraine des aquifkes des roches du socle

de la région de Pali, division de Jodhpur, Rajasthan, Inde 223

4.4. Potentiel en eau souterraine des zones a roches du socle

dans les bassins de Noyil, amaravati et du Ponnani, Sud de l'Inde 228 4.5. Recherche concernant l'eau souterraine d'une région granitique

de Sardaigne,Italie 241

4.6. Etudes de l'eau souterraine des roches précambriennes du district

de Karamoja, Ouganda 249

5. CONCLUSIONS 251

6. REFERENCES ET BIBLIOGRAPHIE 255

APPENDICE 273

TERMINOLOGIE HYDROGEOLOGIQUE CHOISIE 273

Avant-propos

Cet ouvrage a été préparé dans le cadre du projet 8.6 du Programme hydrologique international intitulé ‘Etudes des aquifères des roches cristallines’, l’un des projet majeurs de ce Programme de I’Unesco approuvé par le Conseil Intergouvernemental du PH1 en avril 1975.

Les activités de ce projet 8.6 ont comporté des réunions de comités d’experts, des

publications et des séminaires. A la suite de plusieurs de ces réunions d’experts et d’un séminaire tenu en Suède, à Stockholm, en septembre 1977 puis en Italie à Cagliari (Sardaigne), un premier avant-projet du présent ouvrage a été préparé et utilisé comme document d’un séminaire inter-régional tenu à Coinbatore en Inde du 22 novembre au 20 décembre 1979. Un

avant-projet révisé a été préparé ensuite pour le séminaire régional africain d’Arusha en Tanzanie tenue du 14 septembre au 2 octobre 1981.

Imprimé sous sa forme présente, il est souhaité que cet ouvrage obtienne un certain intérêt et une large audience, en particulier dans les pays en développement.

Cet ouvrage a pour intention principale de combler un vide dans la connaissance de l’hydrologie des eaux souterraines. Les manuels courants et les livres techniques utilisés par les géologues, les hydrologues et les ingénieurs contiennent relativement peu d’informations spécifiques sur des sujets tels que la présence, l’exploration et la mise en valeur des eaux souterraines dans les zones de socle comprenant principalement des roches ignées ou

métamorphiques des régions de boucliers du Précambrien. D’autre part, une importante somme de recherches, d’exploration et de mise en valeur a été rassemblée au hasard à travers le monde au cours des 10 ou 15 dernières années avec des résultats variables.

Le but de cet ouvrage consiste aussi à fournir aux spécialistes des ressources en eau, aux planificateurs pratiques, aux décideurs en matière de politique de l’eau, en particulier dans les pays en développement, des informations sur les possibilités à la fois réelles et limitées de découvrir et de mettre en valeur des ressources en eaux souterraines dans un terrain

primitivement considéré comme étant l’un des milieux hydrologiques les moins prometteurs. II s’agit aussi d’attirer l’attention sur la complexité, la sophistication et le coût des technologies

impliquées. En conséquence, et bien que la plus grande partie de l’ouvrage rende compte des aspects scientifiques et technologiques de la présence d’eaux souterraines dans les zones à roches dures du socle et des activités correspondantes d’exploration et de mise en valeur, quelques aspects de planification et d’économie sont également pris en considération.

L’ouvrage est le résultat d’efforts combinés d’un groupe de spécialistes d’eaux

souterraines et doit être considéré comme une première entreprise de coopération en la matière.

La bibliographie détaillée qui est présentée à la fin de ce volume ne doit pas tromper. Cette oeuvre n’est pas une simple compilation de la littérature scientifique et technique existante. Elle est avant tout basée sur l’expérience de terrain collective du comité de rédaction, expérience

acquise dans plusieurs parties du monde : en Afrique, en Amérique du Nord et du Sud, au Moyen-Orient,

en Europe (et en particulier dans les pays Scandinaves), en Inde, en Australie et en Asie du Sud-Est. D’autre part les auteurs ne prétendent pas présenter un panorma complet des connaisances acquises à ce jour ou de l’état de la question en matière d’exploration et de mise en valeur de l’eau souterraine dans les roches du socle.

Cette opération a bénéficié d’un substantiel soutien financier et technique du

Gouvernement suédois remis à I’Unesco par la ‘Swedish International Development Authority’ (SIDA).

L’ouvrage a été réalisé par un comité d’experts comprenant:

Le professeur Ingemar Larsson, Department of Land Improvement and Drainage, de l’Institut Royal de Technologie, Stockholm.

M. Michael D. Campbell, Département de géologie, Rice University, Houston, Texas, USA.

Présentement directeur des programmes Alternate Energy, Minera1 and Ground Water Programs, Keplinger and Associates, Inc., Houston, Texas, USA.

Le Dr. Robert Dijon, Conseiller inter-régional pour les ressources en eau.

Département de la Coopération Technique pour le Développement. Nations Unies, New York, USA.

Le professeur Erik Eriksson, Département d’Hydrologie, Université d’Uppsala, Uppsala, Suède.

Le professeur Gunnar Gustafson, Département de géologie, Université de Technologie de Chalmer, Gothenburg, Suède.

Le Dr. Gerrit Krol, Institut International de Relevés Aériens et de Sciences de la Terre (ITC), Enschede, Pays-Bas.

Le professeur D.S. Parasnis, Département de Géophysique Appliquée, Université de Lulea, Suède.

M. George C. Taylor, US Geological Survey (retraité), Reston, Virginia, USA.

M. Robert G. Thomas, spécialiste principal de programmes pour les ressources en eau, Water

Resources Development and Management Service, Land and Water Development Division, FAO, Rome, Italie.

Chacun de ces contribuants a été responsable d’une ou de plusieurs parties de ce volume selon sa propre spécialisation et les particularités de son expérience professionnelle. Le texte, dans son ensemble, a été cependant discuté, analysé, revu et mis sous sa forme finale au cours de nombreux échanges de vues entre tous les experts. Sans toutefois reconnaître une responsabilité

d’auteur exclusive, il convient de mentionnner que la plus grande partie du matériel constituant diverses sections a été préparée par un seul auteur. On citera en particulier le Professeur Larsson pour les sections 2.1 .l, 2.1.2, 2.2.2, et 3.3.2.3; M. Campbell pour les sections 2.2.3, 3.3.1 à 3.3.7 (sauf 3.3.6.3) et la section 3.3.9; Dr Dijon pour les sections 1 et 3.3.2.3;

Professeur Eriksson pour les sections 2.3.1 à 2.3.4, 3.3.2.3 et 3.3.8; Professeur Gustafson pour la section 3.3.6.3; Dr. Krol pour les sections 3.2.1 et 3.3.2.3; Professeur Parasnis pour les sections 3.2.2. et 3.3.2.3; M. Taylor pour les sections 2.1.3, 2.2.1 et 3.3.2.3 et M. Thomas pour les sections 3.1.1. à 3.1.3. Les auteurs des exemples de réalisation au chapitre 4 sont cités avec chaque cas exposé.

En plus du travail de révision réalisé par les auteurs, la mise au point finale a été exécutée par M. José A. da Costa de I’Unesco (Paris, France) et par M. Ake Nilsson de l’institut Royal de Technologie de Stockholm (Suède).

Le texte a été préparé par les auteurs principalement de 1977 à 1979, la liste des références et la bibliographie ont été achevées en 1982.

1. Introduction

Des roches ignées et métamorphiques affleurent sur la majeure partie de la superficie du globe ou s’étendent près de la surface du sol sous un mince revêtement de dépôts superficiels de caractère alluvial, glaciaire, etc. Ceci est en particulier le cas des vastes boucliers précambriens de roches ignées et métamorphiques qui constituent, en fait, le socle des continents. Ils sont

largement présents dans i’hémisphère occidental (Canada, Nord-Est et Nord- Ouest des Etats-Unis, le plateau guyannais du Brésil), en Europe septentrionale (Scandinavie, URSS), en Asie (Sibérie,

Péninsule Arabique, Inde, Sri-Lanka, Asie du Sud-Est, Corée, Chine), dans la région du Pacifique (Australie) et en Afrique occidentale, centrale et orientale (voir figure 1.1). De vastes parties de ce domaine géologique sont situées dans des régions tropicales et sub-tropicales qui sont parmi les moins développées du monde. Ces régions sont aussi, du point de vue écologique et environnemental, parmi les plus fragiles du monde, avec des populations dont le revenu par habitant est couramment le plus bas. Ceci est particulièrement vrai dans le Nord-Est du Brésil, dans la péninsule Indienne, dans la région de la mer Rouge, en Afrique occidentale, du Sénégal au Cameroun, et également dans de vastes étendues montangneuses de l’Afrique centrale et orientale. Les populations concernées sont au moins de l’ordre de 30 millions de personnes en Amérique latine, 50 millions en Afrique et de plusieurs centaines de millions en Asie.

Une des contraintes premières au développement économique et social de ces régions du monde réside dans la difficulté de fournir un approvisionnement en eau satisfaisant pour leurs populations.

Dans les régions tropicales et arides l’eau n’est pas disponible de façon permanente, tandis que dans les régions humides elle est souvent contaminée par des micro-organismes pathogènes. Il en résulte que l’eau souterraine est généralement la seule ressource aquifère de caractère perman ent et sain.

Néa nmoins, la recherche des eaux souterraines et leur mise en valeur soulève, dans ces régions, un certain nombre de problèmes estimés impossibles à résoudre jusqu’à une époque récente. Le résultat en est que dans les régions humides les populations ont souffert de diverses formes de maladies dues à l’eau superficielle polluée tandis que dans les régions semi-arides ou arides le manque d’eau a empêché la mise en valeur efficace des ressources du sol et du sous-sol. Ainsi, en Afrique

occidentale il était impossible de fournir de l’eau au bétail; en Afrique centrale d’importantes zones d’excellent ‘sol noir à coton’ n’étaient pas cultivées, les populations ne pouvant s’y établir par suite des difficultés technologiques d’exploitation des eaux souterraines. En Afrique orientale la

‘gomme arabique’ n’était pas recueillie à cause du manque d’eau potable pour la main-d’oeuvre saisonnière chargée de rechercher la présence éparse d”Acacia gummifera’. Quant aux ressources minérales elles n’étaient pas mises en valeur par suite du manque d’adductions d’eau nécessaires aux cités minières envisagées.

Cependant, des découvertes récentes sur le double plan de la méthodologie et de la technologie ont eu lieu pour la recherche et la mise en valeur des eaux souterraines dans les roches ignées

métamorphiques, surtout dans les constituants des boucliers précambriens. Ces découvertes ont nourri de nombreux espoirs pour l’avenir de ces régions en cours de développement. Les gouvernements de ces pays sont engagés dans de vastes programmes de mise en valeur de ces ressources en eau avec le soutien des organisations de la famille des Nations Unies comme avec d’autres organismes multilatéraux ou

13

bilatéraux d’aide au développement. Cette publication a pour but d’attirer l’attention d’un maximum de lecteurs parmi les spécialistes en science de l’eau sur la situation actuelle des connaissances et l’état actuel des techniques en matière de géologie et d’hydrologie des eaux souterraines dans les roches ignées et métamorphiques.

De même que lorsqu’il s’agit de toute autre ressource naturelle, la présence et le comportement des eaux souterraines dans ces terrains sont liés à un certain nombre de facteurs qui peuvent être groupés en trois grandes catégories : il s’agit de la géologie et de la pédologie, de la morphologie et de la climatologie.

La géologie sera étudiée ici en premier lieu car elle représente souvent le facteur limitatif de la présence des eaux souterraines. En général les roches ignées et métamorphiques, surtout dans les boucliers précambriens, ne possèdent pratiquement pas de porosité inter-granulaire et elles ont

longtemps été considérées comme imperméables. Mais quand des galeries et des tunnels ont été percés pour la première fois dans des masses montagneuses granitiques, les géologues et les ingénieurs ont été surpris par l’ampleur des écoulements à haute-pression et à fort débit apparus dans les fractures.

En fait, les connaissances en hydrogéologie des roches compactes ont été acquises principalement à la suite de travaux d’ingénierie de la géologie. Bien que ces roches soient résistantes, non poreuses et absolument imperméables au stade du petit échantillon, elles sont capables de retenir l’eau dans des réseaux de fissures, de joints, de fractures ou de failles ainsi que le long de zones de contact entre des roches de divers types comme c’est le cas pour les dikes et les filons-couches. De plus, lorsqu’elles sont soumises à certaines conditions climatiques, ces roches subissent une altération considérable susceptible de créer des situations propices à l’infiltration et à l’emmagasinement des eaux souterraines. Les conditions géologiques peuvent varier d’une région à l’autre, car les systèmes de fractures sont liés aux caractéristiques lithologiques et structurales locales, tandis que la

puissance et la nature de la couche altérée sont à la fois en rapport avec ces caractéristiques comme avec les conditions climatiques.

Quelques autres facteurs ne sont pas à négliger dans le comportement hydrologique de la couche altérée comme, par exemple, la couverture végétale qui exerce une certaine influence sur l’infiltration et l’évaporation des eaux souterraines. Certaines particularités zoologiques peuvent être

significatives comme par exemple la présence de fourmilières qui constituaient autrefois en Inde justement un indice d’eaux souterraines.

Il faut tenir aussi compte des facteurs morphologiques. La topographie des roches du socle est souvent assez plane par suite de longues périodes d’érosion au cours de leur histoire géologique. Les systèmes de drainage superficiel y sont faiblement marqués et on y observe qu’un faible écoulement.

De telles conditions topographiques favorisent l’évaporation. Dans les régions humides l’infiltration ne pourra se produire que si les sols (au sens pédologique du mot) et les caractéristiques des couches altérées sont favorables. Dans les régions arides l’infiltration n’aura heu que si le réseau de

draingage superficiel permet à l’écoulement de s’effectuer de telle façon que l’eau s’accumule dans les zones relativement basses et fracturées d’où elle pourra percoler et s’emmagasiner sous la surface du sol.

Les conditions climatiques jouent un rôle extrêmement important dans la présence des eaux souterraines, et en particulier des facteurs tels que la pluviométrie et l’évaporation. qui sont à

prendre conjointement en considération dans une région géographique donnée. Ceci est surtout vrai pour de nomreuses zones de socle où les conditions géologiques et pédologiques ne sont pas optima et quand une certaine concentration de pluie dans un court laps de temps, ou une certaine importance de l’écoulement sont nécessaires pour compenser les effets de l’évaporation et permettre ainsi à une certaine quantité d’eau de s’infiltrer et de réalimenter les zones aquifères. D’un côté,

l’évaporation peut prélever largement l’eau souterraine emmagasinée dans les couches altérées. Par exemple, pn a observé dans plusieurs régions de l’Afrique de l’Ouest entre le Mali, le Nigéria et le Cameroun, que la couche altérée qui recouvre les roches compactes ne retient plus d’eau à la fin de la saison sèche lorsque son épaisseur est inférieure à 12-15 mètres.

Figure 1.1 Distribution géographique des zones boucliers dans les hémisphères Nard et Sud. Le pointillé dense indique les affleurements de roches de bouclier et le pointillé léger les dépôts

plus récents repasant sur le sacle (King, 1962). Repraduit avec autorisaticm de l’auteur.

15

En fait, la présence d’eau souterraine, sa disponibilité et sa qualité, sont soumises à l’action conjuguée et complexe de tous les facteurs mentionnés ci-dessus. Certaines régions du Nord-Est du Brésil présentent des cas typiques de telles inter-actions. Ces régions à topographie plate ont pour socle des gneiss et des schistes érodés, recouverts d’importantes ‘mesas’ ou plateaux de grès (ou mollasses). La pluie tombant sur ces hauts-plateaux percale dans les fissures et les fractures des terrains gréseux et réapparait sous forme de source d’eau douce localisée sur les pourtours de ces hauts-plateaux au contact des gneiss et des schistes sous-jacents. Dans les plaines les gneiss et les schistes eux-même ne retiennent que de petites quantités d’eau généralement saumâtre ou salée. Cet exemple précis illustre de façon saisissante l’influence directe de la géologie sur la morphologie, de celle-ci sur le climat, et inversement, et donc de l’ensemble géologie, morphologie, climat sur la présence et la quantité d’eau souterraine. Les chapitres qui suivent étudieront l’interaction

fondamentale des ces facteurs dans un environnement complexe, en examinant successivement les caractéristiques géologiques, hydrologiques et hydrochimiques des eaux souterraines dans les roches dures du socle.

2. Hydrogéologie

2.1 CARACTERISTIQUES GEOLOGIQUES

2.1.1 PARAMETRES LOCAUX ET GENERAUX DES ROCHES

Les terrains de roches dures du socle comprennent une grande variété de roches ignées et

métamorphiques. Mais du point de vue hydrologique ils sont assez homogènes à deux égards. Ils n’ont pratiquement pas de porosité primaire comme celle des grès ou autresroches sédimentaires. Ils

possèdent par contre une porosité secondaire due à la fissuration et à l’altération permettant la circulation et l’accumulation de l’eau souterraine. Depuis quelques années les hydrogéologues ont utilisé un terme général propre à toutes ces roches ignées et métamorphiques. Ils les nomment ‘roches dures’ (ou roches du socle’) les plus fréquentes étant les gneiss et les granites.

Ce terme désigne d’une façon très vague et très générale toutes sortes de roches ignées et

métamorphiques, typiques de toutes les zones de boucliers du globe terrestre. Dans le présent ouvrage ce terme ne s’applique pas aux roches volcaniques ou carbonatées, même si ces dernières pourraient faire partie d’un ensemble métamorphique particulier. La raison de l’exclusion de ce type de roche est qu’elles peuvent posséder une porosité primaire ce qui n’est généralement pas le cas des roches ignées et métamorphiques. Ainsi donc, se trouvent exclues les formations karstiques et les zones poreuses des roches volcaniques. Ces ‘roches dures’, ou ‘roches du socle’, sont quelquefois définies dans les publications des organisations des Nations Unies comme ‘des roches compactes, non carbonatées et non volcaniques’.

La capacité d’emmagasinement des roches dures non altérées se limite aux systèmes

d’interconnexion de fractures, de joints et de fissures ouvertes dans la roche. Ces vides résultent essentiellement de phénomènes tectoniques dans l’ensemble de la croûte terrestre. Ces roches réagissent plus ou moins de la même façon sous l’effet de contraintes et selon leur structure

interne. Il faut tenir compte de ce comportement quand on étudie leur capacité d’emmagasinement en eaux souterraines. De plus les processus d’altération ont une influence considérable sur leur

capacité d’emmagasinement. La désagrégation mécanique, les dépôts et les dissolutions chimiques, les effets d’altération du climat et de la végétation provoquent des modifications locales de la

roche-mère et de ses fractures. Ces phénomènes peuvent aboutir à une augmentation ou à une réduction de la porosité secondaire du réseau originel de fractures. La zone de transition entre la couche

altérée et la roche d’origine sous-jacente (voir paragraphe 2.1.3.4) peut représenter un assez bon aquifère en fonction de la porosité de cette zone.

r) Note du traducteur

17

2.1.2 ROCHES DURES NON-ALTEREES ET FRACTUREES 2.1.2.1 Propriétés pétrographiques générales

Introduction

Les boucliers précambriens font partie des éléments les plus anciens de la croûte terrestre.

Ils contiennent des roches dures d’âge, de degré de métamorphisme et de structure différents. De nombreux mouvements orogéniques ont affecté ces boucliers; les processus de dislocation ont eu divers effets sur les constituants des boucliers par suite de leurs caractères mécaniques différents. Ceci est très visible sur le terrain. Certains types de roches sont considérablement fracturés, alors que d’autres n’ont guère été touchés bien qu’appartenant au même environnement tectonique.

La capacité de la roche ou sa résistance dans les zones faibles et fragiles de l’écorce terrestre est assez complexe. Ses paramètres pétrographiques, tels que la taille des grains, le degré de métamorphisme, la structure des plis, l’orientation de leurs axes par rapport à la direction générale des contraintes, etc. sont directement concernés. Ces paramètres jouent un rôle prépondérant dans la fracturation des roches, et, de ce fait, sont indirectement en rapport avec la présence d’eau souterraine dans ce type de roches. L’étude systématique de ces paramètres et leurs relations avec la présence d’eau souterraine n’a jamais été entreprise dans le passé. L’état actuel des connaissances à ce propos peut se résumer comme suit:

Roches intrusives et fracturation

Les roches à grain fin telles que les aplites présentent, en général, un réseau dense de fractures. Dans ce genre de roches les fractures isolées sont généralement d’une longueur très limitée. Par contre, les roches à gros grain telles que les granites comportent en général des

fractures d’une dizaine ou même d’une centaine de mètres de longueur. Celles-ci sont le plus souvent largement ouvertes. Quelques roches comme les pegmatites sont constituées de cristaux à faible cohésion. Par conséquent l’ensemble de la roche est fragile et peut se fracturer facilement sous l’effet de tensions. Selon le cadre tectonique local et dans une même région, les roches granitiques peuvent être largement fracturées et des roches basiques, telles que des gabbros ou des diorites, le seront beaucoup moins (Larsson, 1968).

Roches métamorphiques et fracturation

Il semble que le degré de métamorphisme détermine la résistance d’une roche à la fracturation.

En Inde, par exemple, des roches caractérisées par un haut degré de métamorphisme ou des roches ignées (telles que les charnockites) ne présentent souvent pas de fracturation. Par contre des roches moins métamorphisées, comme des gneiss à biotites qui affleurent près d’importantes charnockites, présentent des fracturations fortes ou moyennes. Ceci semble être une loi générale. Les roches à très faible degré de métamorphisme comme les schistes sont souvent fortement fracturées.

En général les roches plissées possèdent leur propre réseau caractéristique de

fractures (voir paragraphe 2.1.2.3). Mais en dehors de ce genre de déformation, les gneiss plissés par exemple, possèdent en général un réseau post-cristallin de fractures très

clairsemé. En ce qui concerne la résistance des roches, le plissement semble apporter à ces roches une sorte de ‘renforcement’ (Larsson, 1977).

La figure 2.1.2.1 illustre un exemple frappant de fracturation de roches fragiles.

Deux sortes de roches affleurent le long de la côte Sud-Est de la Suède: un gneiss à grain fin, de type superstructural est entouré de toutes parts de roches granitoïdes, sauf vers le Sud en bordure de la mer Baltique.

Figure 2.1.2.1 Carte tectonico-morphologique en roches dures du socle d’une région du sud-est de la Suède et principaux caractères tectoniques (d’après

Larsson, Lundgren et Wiklander, 1977).

L’âge des granites à l’est et à l’ouest des gneiss est d’environ 1 430 M. d’années (Rb/Sr,

Wilson et Sundin, 1979). Les gneiss sont beaucoup plus anciens que les granites qui les entourent et ont été plissés plusieurs fois avec des axes de plis orientés vers le nord.

19

Plus tard, toute la zone a été déformée par des cassures par suite de compressions latérales

orientées SSO-NNE, ce qui a provoqué une intense fracturation des roches granitiques. Par contre, les gneiss n’en ont pas été affectés. Aucune vallée visible ni de fracture majeure n’apparaissent dans les zones de gneiss, contrairement à ce qui existe dans les terrains granitiques environnants (Larsson, Lundgren et Wiklander, 1977).

En conséquence, le gneiss est considéré comme une roche solide et compacte, tandis que les terrains granitiques environnants sont fragiles, donc inconsistants et fortement fracturés. Le faible angle entre l’axe de plissement du gneiss et la direction de la contrainte compressive maximale des déformations multiples postérieures a probablement accru la résistance du gneiss.

La migmatisation dans des roches plissées, accompagnée d’un accroissement de quartz et de feldspath, réduit en général la résistance de la roche. Ce phénomène est souvent observé dans des cavités souterraines et durant la construction de tunnels dans les roches du socle (Larsson, 1977).

2.1.2.2 Porosité des fractures

Pour I’hydrogéologue c’est le manque de porosité primaire qui constitue l’attribut général des roches dures du socle. Par définition ces roches sont compactes. Mais par contre, leur réseau de fractures crée un type de porosité dénommé ‘porosité de fractures’. Ceci signifie que les fractures ouvertes qui se situent en dessous du niveau hydrostatique général peuvent emmagasiner de l’eau (Figure 2.1.2.2).

---mm

niveau piézométrique roche saturée

Figure 2.1.2.2 Disposition caractéristique des fractures aquifères dans des roches dures du socle.

2.1.2.3 Fractures produites par les mouvements tectoniques de l’écorce terrestre Introduction

Fairbairn (1949) déclare qu’il existe deux groupes de systèmes de déformations. L’un se caractérise par un écoulement massif dans le sens le plus large du terme. Dans ce cas, la continuité de la roche est maintenue malgré les mouvements. L’autre groupe concerne les ruptures qui détruisent la continuité des couches. Au premier groupe Sander (1930) donna le terme de ‘Teilbewegungen’

(mouvements componentiels). Il définit celui-ci comme étant chaque mouvement de n’importe quel élément dans la roche là où celle-ci conserve sa continuité après la déformation et ce, pendant la période prise en considération.

Dans la plupart des roches ces mOUVem3ltS COmpOnentiek Sont en corrélation avec un certain système tectonique indiqué par l’orientation des grains. Il y a quelques années ces roches ont reçu le nom de ‘tectonites’. Ce terme pratique comprend plusieurs classes de roches déformées couramment décrites comme feuilletées, ardoiseuses, rayées (faciées) ou même massives (Fairbairn, 1949).

Lignage et foliation

La plupart des tectonites sont caractérisées par des éléments linéaires ou plans. Les éléments plans dannent naissance à la foliatian. Les éléments linéaires parallèles se révèlent sous fur-me de lignage (figure 2.1.2.3). Si le lignage et la faliatian sont présents en même temps, le lignage est toujours parallèle à la foliation.

La recannaissance des traits essentiels d’une tectonite est facilitée par l’examen des textures axiales. Selun Sander (1930), ces axes se rapportent aux puints a, b, et c dans les figures 2.1.2.3 et 2.1.2.6. L’axe critique a indique la directian du déplacement ou du transport. Il peut être suit perpendiculaire, soit parallèle au lignage. L’axe b est limité, selan Sander, à un parallélisme avec l’axe du plissement. Enfin, l’axe c est perpendiculaire aux axes a et b. A l’échelle régionale, ces axes peuvent être considérés cumme des axes tectoniques.

Figure 2.1.2.3 Principales caractéristiques d’une roche tectonisée composée d’agrégats de grains de quartz inclus dans un ‘corps de feuilles de mica’, (d’après

Fairbairn, 1949).

La figure 2.1.2.3 illustre les traits principaux d’une tectonite formée d’agrégats de grains de quartz inclus dans un corps de lamelles de mica. Chaque nid de quartz constitue un élément de texture, ou sur-individuel et indique une orientation dimentionnelle. Les grains qui composent l’élément sur-individuel n’indiquent aucune orientation dimentionnelle, mais il est prubable qu’une analyse statistique révèlerait une orientation de structure entrecroisée. Cette orientation peut se rapparter à une surface statistique s qui n’est pas apparente quand on examine le bloc diagramme de la figure. Ensemble, les agrégats de quartz et le mica définissent une fuliatian frappante (parallèle à la phase supérieure du bloc) et le lignage (parallèle à l’axe b). L’orientatiun hyputhétique

texture-axe illustre un rapport commun entre la foliation et le lignage. Des fractures transversales

21

parallèles au plan a c sont reportées sous forme de lignes droites continues, perpendiculaires à b.

Dans un autre rapport a est parallèle au lignage et les fractures de tension sont à peu près parallèles à la nouvelle position du plan b c.

Types de tectonites

En général deux types de tectonites se développent dans les roches plissées. Si le lignage est mieux développé que la foliation ceci indique un mouvement de rotation (interne-externe) de la roche autour de l’axe b. Des joints se développent parallèlement au plan a c. Ce type se nomme tectonite B selon Sander (1948).

Si la foliation (ou schistosité) prédomine, et si le lignage est faiblement développé ou absent, ceci indique un mouvement de glissement (cisaillement) ou une compression de la texture. Ce type est nommé tectonite S (ou tectonite de glissement selon Sander, 1948).

Figure 2.1.2.4 Structure d’une tectonite S (tectonite de glissement). Pôles de 206 lamelles dans un marbre de Griescharte- Hochpfeiler-Tyrol, (Kopf et Ingerson, 1938). Reproduit avec l’aimable autorisation de la ‘Géological Society of America.’

Figure 2.1.2.5 Tectonite B - Pôles de 222 plans de clivage de muscovite dans une phyllonite fibro-calcaire du Brenner - Tyrol. Diagramme typique en

‘ceinture’ (Knop et lngerson, 1938) Reproduit avec l’aimable autorisation de la ‘Geological Society of America.’

La différence entre les deux types de tectonites se manifeste clairement dans la structure des textures des grains, et surtout dans le cas du mica. La tectonite S caractéristique possède une texture de mica avec un seul maximum bien développé, ce qui démontre un contrôle plan. Une tectonite B typique possède une orientation du mica sous forme de ceinture autour de l’axe b, ce qui indique un contrôle axial (voir figures 2.1.2.5 et 2.1.2.6).

Un croquis schématique du développement de ces deux types de tectonites est représenté dans la figure 2.1.2.6 selon Larsson (1968). On considère que la déformation a été dominée par un glissement parallèle au plan a b (partie gauche du croquis). Des mouvements rotatoires externes et internes autour de l’axe b ont développé un lignage parallèle à cet axe et des fractures de tension parallèles au plan a c (partie droite du croquis figure 2.1.2.6).

Axe B

\

Figure 2.1.2.6 Croquis schématique mantrant la position structurale des tectonites S et B (Larsson, 1968).

La jointure du type a c (figure 2.1.2.9) se repère sauvent d’une manière marquée sur les phutas aériennes sous forme d’un réseau bien développé de lignes parallèles arienté perpendiculairement à l’axe de plissement ou d’une structure de caulée intrusive. Il apparaît cependant des variations locales dans leur directian et on peut appeler cela un ‘réseau local’. Ce type de tectanite est en général un aquifère de qualité médiocre à cause des faibles inter-cann exions entre les joints, même s’ils sant nombreux. Les deux types de tectonites décrits sunt souvent développés dans les gneiss et autres roches métamorphiques. Ces tectanites sont fréquents sur toute la croûte terrestre, aussi bien dans les zones boucliers que dans les formatians géologiques plus récentes (figures 2.1.2.7 et 2.1.2.8).

Figure 2.1.2.7 Route taillée dans un gneiss à tectonite S (tectonite de glissement).

Aucune fracture n’apparaît autrement que parallèle à la foliation.

Figure 2.1.2.8 Gneiss à gros grains (tectonite B) à Stavnass, archipel de Stockholm.

Joints de type ac fréquents. Axe de plissement parallèle au littoral.

23

Dans la prospection des eaux souterraines des roches du socle il est important de prendre en considération ces deux types de roches. Celles-ci ont des caractéristiques spéciales en tant que roches aquifères et entièrement différentes de celles des granites. Nous aborderons ce problème dans la section 2.2.2.

Origine des jointures

L’origine de la jointure de type a .c est encore matière à controverse. Le caractère de la jointure est évident. II n’existe aucun mouvement entre les côtés de joints a c quand les conditions du milieu sont stables. Le trait le plus caractéristique des jointure a c dans les roches

métamorphiques est leur disposition ‘en échelon’ + . Cela veut dire qu’il n’y a pas

d’interconnexions. Elles sont le plus souvent courtes, généralement moins de 10-15 mètres. Elles sont très étroites à chaque extrémité mais s’élargissent vers leur milieu, ce qui indique leur origine élastique.

Turner (1948) étudie le comportement des roches soumises à des déformations plastico-visqueuses et soutient que les fractures ne peuvent pas se développer au cours de déformations de caractère plastique. La coulée de la roche fait disparaître toute jointure précédente. Price (1966) déclare

que, au moins dans les roches métamorphiques, les joints se sont formés après la compression tectonique maximum, au moment où la roche ne possédait plus de plasticité. De cet argument Price donne comme conclusion générale que les joints se sont développés dans les roches métamorphiques à des niveaux de la croûte terrestre plus hauts que ceux où les roches ont subi des déformations tectoniques. Il

suppose que la tension résiduelle a été modifiée pendant une période de surrection et s’est produite de telle sorte qu’il en est résulté des joints de tension. Dans certains cas la tension a donné lieu à des structures cisaillées et à des joints de tension.

Figure 2.1.2.9 Joint de type ac, dans un gneiss type tectonite B, dans l’île de Bjorko, Bohuslan, Suède. L’axe du plissement a une orientation générale NW-SE avec une légère courbure.

Dômes et batholites

Des roches granitiques en forme de structures en anneaux sont connues dans plusieurs parties du monde. Sorgenfrei (1971) en a fait leur étude approfondie. Certains auteurs expliquent ces

structures comme étant le résultat d’une différenciation magmatique. D’autres pensent qu’elles sont dérivées de magmas granitiques. Souvent des ceintures de migmatites entourent les batholites granitiques. Elles consistent surtout en un mélange de granite et de matériaux provenant de roches encaissantes.

Ce type de fracturation au sein de ces masses rocheuses n’a pas été étudié systématiquement de point de vue hydrogéologique. Sur les cartes et les images satellitaires apparaissent deux types de fractures. L’un consiste en un système de fracture qui se conforme étroitement aux bords du batholite (figure 2.1.2.10). L’autre type est représenté par un système de fractures qui se conforme au système tectonique général de la région (figure 2.1.2.11). Ceci indique que le réseau de fractures de la

région est plus récent que l’intrusion du diapir.

Ir\ Biotite-granodiorite

..- *.I,“-,,- ” RANITIC DIAPIR

CO. DONEGAL. EIRE H

m

m Tonalite

m Diorite de Summy Lough a Biotite-granite

m Gneiss cataclastique de Carbane J Metadolérite

Amphibolite, diorite et roches reliées au complexe amphibolique de Mill

lds

k!

Direction et pendage de la foliation Foliation verticale

Direction de foliation a pendage inconnu Alignement secondaire

Plan de cisaillement ultérieur Pendage de couche

+ Couche horizontale + Couche verticale

sd’ Poussée avec direction de pente I’ .3 Faille

,’ ,’ , Dislocation ,.I’ Dislocation présumke

Figure 2.1.2.10 Carte du diapir d’Ardara (Akaad. 1957). Reproduit avec l’autorisation de la Gealogical Society of London.

-

p-J

Socle pr~csmbrien et volcanites

Alignements de failles tectoniques

Figure 2.1.2.11 Diapirs granitiques et structures en anneaux dans la bordure Sud du Sahara (d’après Sorgenfrei, 1971). Reproduit avec l’aimable autorisation de la Société géologique de Suède.

Fractures constituées dans des roches consolidées

Ce sont les déformations tectoniques de la croûte terrestre créées par des tensions. Le matériau rocheux fragile réagit d’une manière élastique jusqu’au moment de la cassure. Une cassure signifie la rupture de la roche provoquant un réseau de fractures.

Considérons un prisme simple, vue en coupe comme unité. Il est comprimé par une force F (figure 2.1.2.12). L’effort 6z agit sur une surface parallèlement à la surface ABCD. Ainsi cette force n’exerce aucune traction sur cette surface axiale. En d’autres termes l’effort de cisaillement le long de ce plan est égal à zéro. Par définition, tout effort agissant perpendiculairement à une surface le long de laquelle l’effort de cisaillement est nul, représente un effort principal. On admet conventionnellement que l’axe z est en généra1 vertical.

ut = F ë-

Figure 2.1.2.12 Contraintes normales et de cisaillement agissant sur les surfaces internes et externes d’une petite unité cubique soumise à une force de compression F (adapté de Price, 1966).

D’autres efforts principaux peuvent être orientés parallèlement aux axes x et y et seront eux aussi désignés par x et y. Si les intensités relatives des efforts principaux sont connues, on peut nommer ceux-ci ‘effort maximum’ (OU le plus grand), OU effort intermédiaire ou (minimum), C’est-à-dire respectivement u l, o2 et u 3(Price,1 966)

Les fractures de cisaillement résultent du mouvement différentiel de masses de ruches le long d’un plan. On les abserve fréquemment sur le terrain. Elles peuvent varier en longueur, depuis plusieurs kilamètres jusqu’à de miniscules fractures visibles seulement dans un petit échantillan à main uu au microscope. Si deux plans de cisaillement qui se recoupent se développent dans les mêmes conditians de tension, on les appelle des fractures de cisaillement conjuguées (Figure 2.1.2.13).

Price a démontré le rappart existant entre les fractures et les axes des efforts principaux (Figures 2.1.2.14 et 2.1.2.16).

Figure 2.1.2.13 Fractures de cisaillement conjuguées (d’après Price, 1966).

La figure 2.1.2.14 illustre le cas a. L’effort maximum u ’ est horizontal et l’effort minimum u 3 est vertical. Si le mauvement est d’importance ces fractures sont des chevauchements (ou des recouvrements). Ce cas est illustré par la fracturation des granites dans le sud-est de la Suède.

Les zones de chevauchement scmt remplies d’un agglomérat de failles, souvent granulaire, et possédant une conductivité hydraulique relativement élevée.

Figure 2.1.2.14 Relation entre failles et directions des contraintes principales (madifié d’après Price, 1966) (a1 horizontal eto,vertical)

27

La figure 2.1.2.15 illustre le cas b où l’effort principal maximum OI agit verticalement et où l’effort minimum 03 porte sur le plan horizontal. Ces fractures sont appelées failles normales. Une partie. de l’escarpement du ‘Vattern grabenl dans le sud de la Suède montre des failles normales striées (figure 2.1.2.15). La longueur totale du graben est d’environ 140 km.

(b)

Figure 2.1.2.15 Relation entre failles et directions des cuntraintes principales (modifié d’après Price, 1966) ( ~~Vertical and u3 horizantal)

9 y3

-zz-- c

=Z

(c’ ti

?

Figure 2.1.2.16 Relation entre failles et directions des contraintes principales (modifié d’après Price. 1966 (0, et o3 horizontaux).

Le cas c est illustré par la figure 2.1.2.16. Les efforts principaux maximum et minimum agissent ensemble sur le plan horizontal. L’effort intermédiaire principal agit verticalement. Ce type est illustré par les deux cisaillements entrecroisés dans un granite de Rapakiti dans les îles de Aaland

entre la Finlande et la Suède. La photo a été prise du haut et la boussole se trouve à l’intersection des plans de cisaillement (figure 2.1.2.16). Les figures 2.1.2.17 et 2.1.2.18 illustrent les effets de tests de compression uniaxiale sur des échantillons de roche. Les fractures de tension se développent parallélement à la direction de la compression par suite d’une partition et d’une dilatation perpendiculaire à cette direction de la compression (Romero et Cornez, 1970; Hawkes et Mellor, 1970).

Bien que le refendage des échantillons-tests soit reconnu depuis longtemps, ii n’existe encore aucune explication satisfaisante de ce processus mécanique. (Holzhausen et Johnson, 1972).

Figure 2.1.2.17 Croquis d’une cassure dans un échantillon de roche soumis à une compression uni-axiale (Holzhaussen et Johnson 1979).

Figure 2.1.2.18 Cassures dans un échantillon cylindrique de roche soumis à une pression uniaxiale. Clivage axial, granite. (Hawkes et Mellor, 1970).

Mecanisme de formation des dikes

Larsson (1972) a émis l’hypothèse que les découvertes effectuées au cours de travaux de

recherches en laboratoire par tests de compression sur des échantillons de roche pouvaient s’appliquer à l’échelle du terrain et rapportées en kilomètres au lieu de centimètres. II suggère que le

mécanisme de formation des dikes pourrait être similaire au refendage sub-axial des échantillons soumis à des tests de compression uniaxiale, mais bien entendu à une autre échelle.

II est évident que la formation d’un dike signifie qu’une tension agit perpendiculairement à la direction du dike dans l’écorce terrestre. A titre d’explication de ce phénomène, Anderson (1942) suggère qu’un gauchissement ou des voussures de la croûte causeraient des fractures verticales par lesquelles le magma serait passé.

29

._-ll..- - . ~---. . -

Figure 2.1.2.19 Carte en courbe de niveaux de la partie la plus méridionale de la région granitique de Karlshamn (sud de la Suède).

Traits noirs = dikes de diabases

A-B = vallées sur fracture de tension X = sites de forages,

(Larsson, 1972)

La formation des dikes, en tant que résultat d’un effort de compression (tel que le fendage sub-axial), ou de tension (allègement de pression) perpendiculaire à la direction de l’effort maximum, devrait ouvrir des fractures de la croûte, suffisamment profondes pour atteindre des zones de roches en fusion. Si les dikes ont une ampleur à peu près égale en suivant leur longueur, le modèle de formation de voussures ou de gauchissement semble correct. Par contre si les dikes sont larges à l’une de leur extrémité et se rétrécissent à l’autre extrémité, l’hypothèse d’un fendage sub-axial dû à

des efforts de compression semble plus probable. Ceci indiquerait un effet décroissant de l’effort qui correspondrait au rétrécissement du dike.

Du point de vue hydrogéologique, la formation des dikes dans les roches signifierait que les fractures parallèles aux dikes pourraient provenir de tractions. Elles seraient donc ouvertes et susceptibles de constituer une roche réservoir à condition qu’elles ne soient pas obturées par des matériaux provenant des dikes.