Zone de cisaillement

En géologie, une zone de cisaillement est une fine zone de la croûte terrestre ou du manteau supérieur qui a été fortement déformée en raison du glissement des parois rocheuses de chaque côté de la zone. Dans la croûte supérieure, où la roche est cassante, la zone de cisaillement prend la forme d'une fracture appelée faille . Dans la croûte inférieure et le manteau, les conditions extrêmes de pression et de température rendent la roche ductile . C'est-à-dire que la roche est capable de se déformer lentement sans se fracturer, comme le métal chaud travaillé par un forgeron. Ici, la zone de cisaillement est une zone plus large, dans laquelle la roche ductile s'est lentement écoulée pour s'adapter au mouvement relatif des parois rocheuses de chaque côté.

Étant donné que les zones de cisaillement se trouvent sur une large gamme de profondeurs, une grande variété de types de roches différents avec leurs structures caractéristiques sont associées aux zones de cisaillement.

Une zone de cisaillement est une zone de forte déformation (avec un taux de déformation élevé ) entourée de roches ayant un état de déformation finie plus faible . Elle est caractérisée par un rapport longueur/largeur supérieur à 5:1.

Les zones de cisaillement forment un continuum de structures géologiques, allant des zones de cisaillement cassantes (ou failles ) aux zones de cisaillement cassantes-ductiles (ou semi-cassantes ), des zones de cisaillement ductiles-cassantes aux zones de cisaillement ductiles . Dans les zones de cisaillement cassantes, la déformation est concentrée dans une surface de fracture étroite séparant les parois rocheuses, tandis que dans une zone de cisaillement ductile, la déformation est répartie sur une zone plus large, l'état de déformation variant continuellement d'une paroi à l'autre. Entre ces extrémités, il existe des types intermédiaires de zones de cisaillement cassantes-ductiles (semi-cassantes) et ductiles-cassantes qui peuvent combiner ces caractéristiques géométriques dans différentes proportions.

Ce continuum que l'on retrouve dans les géométries structurales des zones de cisaillement reflète les différents mécanismes de déformation régnant dans la croûte, c'est-à-dire le passage d'une déformation cassante (fracturation) à la surface ou près de la surface à une déformation ductile (écoulement) avec une profondeur croissante. En passant par la transition cassante-semi-cassante , la réponse ductile à la déformation commence à s'installer. Cette transition n'est pas liée à une profondeur spécifique, mais se produit plutôt sur une certaine plage de profondeur - la zone dite alternée , où la fracture cassante et l'écoulement plastique coexistent. La principale raison en est la composition généralement hétérominérale des roches, avec différents minéraux montrant des réponses différentes aux contraintes appliquées (par exemple, sous contrainte, le quartz réagit de manière plastique bien avant les feldspaths ). Ainsi, les différences de lithologie , de granulométrie et de structures préexistantes déterminent une réponse rhéologique différente . D'autres facteurs purement physiques influencent également la profondeur de changement, notamment :

• gradient géothermique , c'est-à-dire température ambiante .
• pression de confinement et pression du fluide .
• taux de déformation en vrac.
• orientation du champ de contrainte.

Dans le modèle de Scholz pour une croûte quartzo-feldspathique (avec un géotherme prélevé en Californie du Sud), la transition cassante-semi-cassante commence à environ 11 km de profondeur avec une température ambiante de 300 °C. La zone alternée sous-jacente s'étend ensuite jusqu'à environ 16 km de profondeur avec une température d'environ 360 °C. En dessous d'environ 16 km de profondeur, on ne trouve que des zones de cisaillement ductiles.

La zone sismogénique , dans laquelle les tremblements de terre se forment, est liée au domaine fragile, la schizosphère. Sous une zone alternante intermédiaire, se trouve la plastosphère. Dans la couche sismogénique , qui se produit sous une transition de stabilité supérieure liée à une coupure sismique supérieure (située généralement à environ 4–5 km de profondeur), de véritables cataclasites commencent à apparaître. La couche sismogénique cède ensuite la place à la zone alternante à 11 km de profondeur. Pourtant, de gros tremblements de terre peuvent se rompre à la fois jusqu'à la surface et bien au-delà de la zone alternante, parfois même dans la plastosphère.

Les déformations dans les zones de cisaillement sont responsables du développement de fabriques et d'assemblages minéraux caractéristiques reflétant les conditions de pression et de température (pT) régnantes, le type d'écoulement, le sens du mouvement et l'histoire de la déformation. Les zones de cisaillement sont donc des structures très importantes pour démêler l'histoire d'un terrain spécifique .

À partir de la surface de la Terre, les types de roches suivants sont généralement rencontrés dans une zone de cisaillement :

• Roches de faille non cohésives. Exemples : brèche de faille , gouge de faille et gouge feuilletée.
• roches de faille cohésives telles que les brèches de concassage et les cataclasites (protocataclasite, cataclasite et ultracataclasite).
• pseudotachylites vitreux .

Les entailles de failles et les cataclasites sont toutes deux dues à l'usure abrasive des failles fragiles et sismogènes.

• mylonites feuilletées (phyllonites).
• gneiss rayé.

Les mylonites apparaissent dès l'apparition d'un comportement semi-fragile dans la zone alternée caractérisée par une usure adhésive . On y rencontre encore des pseudotachylites. En passant aux conditions de faciès des schistes verts , les pseudotachylites disparaissent et seuls subsistent différents types de mylonites. Les gneiss striés sont des mylonites de haute teneur et se trouvent tout au fond des zones de cisaillement ductiles.

Le sens de cisaillement dans une zone de cisaillement ( dextre , senestre , inverse ou normal) peut être déduit par des structures macroscopiques et par une pléthore d'indicateurs microtectoniques.

Les principaux indicateurs macroscopiques sont les stries ( slickensides ), les fibres lisses et les étirements ou linéations minérales. Ils indiquent la direction du mouvement. À l'aide de marqueurs décalés tels que les stratifications et les digues décalées , ou la déflexion (courbure) de la stratification/foliation dans une zone de cisaillement, on peut également déterminer le sens du cisaillement.

Les réseaux de fissures de tension en échelon (ou veines d'extension), caractéristiques des zones de cisaillement ductiles-fragiles, et les plis de gaine peuvent également être de précieux indicateurs macroscopiques de la sensibilité au cisaillement.

Les indicateurs microscopiques sont constitués des structures suivantes :

• plis asymétriques .
• feuillages .
• imbrications.
• Orientation cristallographique préférée (CPO).
• Porphyroclastes à manteau et ailés . Des exemples bien connus sont les objets thêta (Θ) et les porphyroclastes phi (Φ), ainsi que les objets ailés sigma (σ) et delta (δ).
• poisson mica (poisson de foliation).
• ombres de pression
• se détachent.
• structures de quartier.
• clivages de bandes de cisaillement.
• sites de passage.

La largeur des zones de cisaillement individuelles s'étend de l'échelle granulaire à l'échelle kilométrique. Les zones de cisaillement à l'échelle de la croûte terrestre (méga-cisaillements) peuvent atteindre 10 km de large et présenter ainsi des déplacements très importants, allant de quelques dizaines à quelques centaines de kilomètres.

Les zones de cisaillement fragiles (failles) s'élargissent généralement avec la profondeur et avec une augmentation des déplacements.

Les zones de cisaillement étant caractérisées par la localisation des contraintes, une certaine forme d' adoucissement des contraintes doit se produire pour que le matériau hôte affecté se déforme de manière plus plastique. L'adoucissement peut être provoqué par les phénomènes suivants :

• réductions granulométriques.
• adoucissement géométrique.
• adoucissement par réaction.
• adoucissement lié aux fluides.

De plus, pour qu'un matériau devienne plus ductile (quasi-plastique) et subisse une déformation continue (écoulement) sans se fracturer, les mécanismes de déformation suivants (à l'échelle des grains) doivent être pris en compte :

• fluage par diffusion (divers types).
• fluage des luxations (divers types).
• recristallisation dynamique
• procédés de solution sous pression .
• glissement des joints de grains ( superplasticité ) et réduction de la surface des joints de grains.

En raison de leur pénétration profonde, les zones de cisaillement se rencontrent dans tous les faciès métamorphiques . Les zones de cisaillement cassantes sont plus ou moins omniprésentes dans la croûte supérieure. Les zones de cisaillement ductiles débutent dans des conditions de faciès de schistes verts et sont donc limitées aux terrains métamorphiques.

Des zones de cisaillement peuvent se produire dans les contextes géotectoniques suivants :

• réglage transversal – raide à vertical :
  • zones décrochantes.
  • failles transformantes .
• réglage compressif – angle faible
  • nappes à plis couchés (à la base de).
  • zones de subduction .
  • nappes de chevauchement (à la base de).
• réglage extensionnel – angle faible
  • détachements de complexes de noyaux métamorphiques .

Les zones de cisaillement ne dépendent ni du type de roche ni de l'âge géologique. Le plus souvent, elles ne sont pas isolées dans leur apparition, mais forment généralement des réseaux anastomosés , interconnectés et à échelle fractale , qui reflètent dans leur disposition le sens dominant sous-jacent du mouvement du terrain à cette époque.

Les zones de cisaillement sud-armoricaines et nord-armoricaines en Bretagne , la zone de faille nord-anatolienne en Turquie et la faille de la mer Morte en Israël sont de bons exemples de zones de cisaillement de type décrocheur . Les zones de cisaillement de type transformant sont la faille de San Andreas en Californie et la faille alpine en Nouvelle-Zélande . Une zone de cisaillement de type chevauchement est la faille de Moine dans le nord-ouest de l'Écosse . Un exemple de zone de subduction est la ligne tectonique médiane du Japon . Des zones de cisaillement liées à des failles de détachement peuvent être trouvées dans le sud-est de la Californie, par exemple la faille de détachement de Whipple Mountain . Un exemple de zone de cisaillement anastomosée de grande taille est la zone de cisaillement de Borborema au Brésil .

L'importance des zones de cisaillement réside dans le fait qu'elles constituent des zones de faiblesse majeures dans la croûte terrestre, s'étendant parfois jusqu'au manteau supérieur. Elles peuvent avoir une durée de vie très longue et présentent généralement des traces de plusieurs stades d'activité superposés. Des matériaux peuvent y être transportés vers le haut ou vers le bas, le plus important étant la circulation d'ions dissous dans l'eau . Cela peut provoquer un métasomatisme dans les roches hôtes et même re-fertiliser les matériaux du manteau.

Les zones de cisaillement peuvent abriter des minéralisations économiquement viables , par exemple d’importants gisements d’or dans les terrains précambriens .