Les géologues interprètent les paysages structurés par le comportement des roches. Ici Laurent Jolivet dessine les structures de la base de la nappe de Digne, Alpes de Haute Provence.
© C. Brunet

La rhéologie est une branche de la mécanique qui étudie les comportements des matériaux soumis à une contrainte.

Les mécanismes de déformation des matériaux de la croûte terrestre sont gouvernés par trois facteurs principaux, la température, la pression hydrostatique et la vitesse de déformation.

La relation entre température et profondeur est définie par le gradient géothermique local qui varie selon les contextes géodynamiques. La pression hydrostatique (ou lithostatique) est directement reliée à la profondeur et à la densité de la colonne de roches sus-jacente.

L'évolution du comportement des matériaux varie donc fortement en fonction de la profondeur et du contexte géodynamique et engendre des déformations très différentes.

Quand elle est soumise à une contrainte, la roche se déforme et reprend sa forme initiale quand la contrainte cesse. La déformation est réversible, c’est un comportement élastique.

La relation entre déformation et contrainte est souvent linéaire. La transmission des ondes sismiques dans le globe est permise par cette propriété élastique des roches.

Pour certaines roches et certaines conditions, au-delà d’un certain seuil, dit seuil de rupture, la roche se rompt. La déformation est évidemment irréversible, c’est un comportement fragile (ou cassant). Les failles, les fentes sont caractéristiques de la déformation fragile.

Pour certaines roches et certaines conditions, au-delà d’un certain seuil, dit seuil de plasticité, une roche soumise à une contrainte se déforme et ne reprend pas sa forme initiale quand la contrainte cesse. La déformation est irréversible, c’est un comportement ductile (ou plastique). La relation entre contrainte et déformation n'est pas linéaire : la contrainte augmente moins vite. Les plis, les bandes de cisaillement sont caractéristiques de la déformation ductile.

Dans la nature, pour une roche soumise à une déformation à vitesse constante, la transition fragile-ductile dépend uniquement de la profondeur qui commande température et pression hydrostatique. Quand la pression hydrostatique augmente, le seuil de rupture augmente et quand la température augmente, le seuil de plasticité diminue. Donc quand la profondeur augmente, on passe d’un comportement fragile à un comportement ductile. Ainsi dans la croûte terrestre, la croûte supérieure se fracture alors que la croûte inférieure se déforme plastiquement.

Idéalement, la transition fragile-ductile correspond à la condition : seuil de rupture = seuil de plasticité.

Dans la nature, ce n’est pas aussi simple car les roches sont constituées de minéraux aux caractéristiques mécaniques différentes. Examinons le cas d’une roche composée de quartz et de feldspath, ce qui correspond pratiquement au cas du granite.

Pour une même contrainte le quartz devient ductile aux alentours de 350°C, alors que le feldspath ne le devient qu’autour de 500°C. Pour cette roche, il existe donc un domaine hybride où le feldspath se déforme encore fragilement alors que le quartz se déforme déjà ductilement. La transition fragile-ductile correspond à cette zone où la déformation est hétérogène pour les deux minéraux.

Les choses se compliquent si on considère l’ensemble des minéraux présents, leurs transformations métamorphiques, les éventuelles phases fluides (H2O, CO2, etc.)… Heureusement, la connaissance de tous ces paramètres n’est pas toujours nécessaire au mécanicien des roches qui s’intéresse au comportement de la lithosphère dans son ensemble : un modèle simplifié lui suffit.

Bien que basé sur une approche différente, le point de vue du géologue de terrain rejoint celui du mécanicien des roches. Pour un géologue, la distinction entre déformation fragile et déformation ductile est purement descriptive :

- Une déformation fragile est localisée le long d'un plan de glissement sans épaisseur, le plan de faille.

- Une déformation ductile est distribuée dans un certain volume rocheux qui correspond en général à une zone de cisaillement. La déformation est considérée comme homogène au sein du volume déformé, mais ce n'est pas toujours le cas.

Cette approche de terrain dépend de manière évidente de l'échelle d'observation. Une grande faille comme la faille alpine de Nouvelle-Zélande peut être considérée comme une déformation localisée à l’échelle du globe. Mais l'observation sur le terrain révèle un large domaine déformé.
Au sein d'un échantillon de gneiss déformé ductilement, la déformation est distribuée dans toute son épaisseur, mais l'observation de détail, à l’échelle de la lame mince, révèle que certains minéraux comme les feldspaths n'ont subi qu'une déformation fragile.
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Cette classification n'implique aucun mécanisme de déformation intime, mais elle a son importance car les techniques d'étude de la déformation sur le terrain ne sont pas les mêmes dans le domaine fragile et dans le domaine ductile.

Dans le domaine fragile, on cherchera à déduire la direction et le sens de mouvement des blocs sur le plan de faille lui-même, alors qu'en domaine ductile, on devra déduire les déplacements des blocs de la géométrie interne du domaine déformé.