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Etudes du terrain
Etudes au laboratoire
Modelisation : temps et espace
Quels matériaux pour représenter les différentes roches ?


CNRS-Géomanips

Plissements à différentes échelles
Plissements "de poche" en Vanoise.
© C. Sabouraud
Plis couchés dans la nappe de Wildhorn, à proximité du village de Kandersteg, Oberland Bernois, Suisse.
© P. Dick


Comment prétendre recréer en laboratoire des phénomènes dont tous les paramètres nous dépassent : des kilomètres d'épaisseur de roches, indéformables semble-t-il et pourtant déformées, des durées... géologiques (c'est-à-dire des millions d'années), des vitesses généralement de l'ordre du centimètre par an.

Les déformations de roches sont donc le résultat d'évolutions lentes, dont les causes sont invisibles.

On peut expérimenter pour contourner cette difficulté considérable.



 

 

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Quels matériaux pour représenter les différentes roches ?



Stage de géologie structurale

Le géologue cherche des affleurements, il y fait des prélèvements (échantillons de roches, fossiles) et des observations : orientation et valeur du pendage des couches, forme des plis, direction de leur axe, sens des failles. Le géophysicien fait aussi des mesures de géophysique telles que sismologie, gravimétrie, magnétisme, imagerie satellite, qui lui fournissent d'autres données.

Une fois les observations rassemblées, les études d’échantillons au laboratoire et les interprétations soulèvent des questions.

Pour comprendre les déformations qui affectent la surface de la Terre, le géologue émet des hypothèses sur les mécanismes qui peuvent en être responsables. Ces hypothèses sont formulées dans le cadre global de la tectonique des plaques.




 



 



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Expérience sur modèle réduit


Expérience sur modèle numérique

Le chercheur qui a choisi d'expérimenter teste ses hypothèses en faisant des modélisations : modèles réduits, maquettes.

Il réalise, en laboratoire, des modèles physiques avec des matériaux réels (souvent appelés modèles analogiques) ou bien des modèles numériques sur l'écran d'un ordinateur, comme le montrent les deux images, extension analogique et numérique, ci-contre.

Leur principe est le même. On crée un modèle simplifié prenant en compte les principales caractéristiques du phénomène naturel que l'on veut étudier et on se donne les moyens techniques de faire varier tous les paramètres.
À partir d’un état initial supposé, le modèle est déformé selon les mécanismes que l'on suppose agir dans la nature.

La comparaison entre les observations de terrain et l’état final du modèle permet de valider ou d’invalider les hypothèses formulées. Mais la modélisation peut apporter plus de questions qu'elle n’en résout, il faut alors souvent compléter l’étude de terrain, retourner aux données, réaliser de nouvelles expériences en variant les paramètres (matériaux, vitesses...) pour enfin aboutir à un résultat fiable.




 



 



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Modelisation : temps et espace
Quels matériaux pour représenter les différentes roches ?



Petits plis dans des calcaires Toscan

Il peut être difficile d'imaginer comment on peut modéliser des processus comme la genèse de montagnes dans une expérience de laboratoire forcément réductrice. Pour comprendre, le concept d’échelles de temps et d’espace est important :

- L'érection d'une chaîne de montagnes dure des millions d'années. Imaginez qu’une caméra ait enregistré un tel événement. En rejouant le film en accéléré, le comportement des roches ne ressemblerait probablement pas à celui que nous attendrions de roches, mais plus à celui de la cire, du mastic ou de l'argile. Ce qui nous semble une roche résistante peut apparaître beaucoup moins solide dans une échelle de temps beaucoup plus longue.

- Quant aux dimensions... il est bien entendu impossible de concevoir des expériences à l’échelle de la Terre.

Des structures naturelles de dimensions complètement différentes sont pourtant si semblables que des processus comparables ont dû les engendrer.

Dans cette perspective, on peut employer des modèles à l’échelle du laboratoire pour étudier des dispositifs de plus grande taille. Les principes du dimensionnement justifient en partie l’emploi de matériaux faiblement résistants pour modéliser le comportement de matériaux plus résistants.


Expérience au XIXe siècle

Les pionniers de la modélisation (XIXe siècle) ont conçu des modèles qui ne respectaient pas de règles de dimensionnement. Ces inventeurs ont immortalisé par de superbes gravures et des photos étonnantes leurs appareils et les résultats obtenus. Aujourd'hui, toutes les modélisations des scientifiques font appel à des modèles à l’échelle.

Les modèles hors échelles conservent tout leur intérêt pour l'enseignement et la diffusion des connaissances en sciences de la Terre car ils illustrent bien la démarche expérimentale et permettent de différencier les comportements des diverses roches, des divers niveaux de la lithosphère et de se confronter aux questions d'échelle.




 



 



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Quels matériaux pour représenter les différentes roches ?


 

En mettant en relation les propriétés mécaniques des matériaux naturels et celles des matériaux de laboratoire (leur rhéologie), on sélectionne des matériaux "analogues".

Dans un modèle analogue, les paramètres importants sont dimensionnés : il doit exister un rapport de similitude entre longueurs, vitesses, contraintes, temps... Les équations de la dynamique, de la rhéologie sont le quotidien du chercheur.

Cependant, le dimensionnement ne peut en réalité être totalement correct vu la complexité des matériaux naturels qui intéressent le géologue. Il est donc nécessaire de revenir en permanence au terrain.


Expérimentation en laboratoire

Pour représenter la croûte supérieure qui est fragile (ou cassante), le chercheur utilise du sable, type sable de Fontainebleau. Quand on applique des forces à des couches de sable, elles ne se plissent pas, elles se faillent, comme les roches rigides. La déformation est localisée.

Pour représenter la croûte inférieure qui, plus chaude, est ductile (ou plastique), le chercheur emploie un gel de silicone dont le comportement varie suivant la température et la vitesse de déformation. Il peut même utiliser du miel pour des niveaux plus profonds, plus chauds et donc plus ductiles.

Il faut aussi respecter les proportions de la nature, rapports de densité, rapports d’épaisseur : si on veut représenter un niveau dont la moitié supérieure est fragile et la moitié inférieure ductile (une croûte par exemple), on déformera deux couches de matériaux différents et d’égales épaisseurs.




 





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