Image de la semaine | 13/09/2021

Mini-zones de cisaillement (shear zones) dans des granites et autres roches

13/09/2021

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Résumé

Cisaillement et mylonitisation à l'échelle décimétrique.


Mini-zone de cisaillement (shear zone en anglais) visible sur une dalle de granite poli installée dans la salle de bain d'un hôtel de Custer, Dakota du Sud (États-Unis d'Amérique)

Figure 1. Mini-zone de cisaillement (shear zone en anglais) visible sur une dalle de granite poli installée dans la salle de bain d'un hôtel de Custer, Dakota du Sud (États-Unis d'Amérique).

Se brosser les dents au-dessus d'une shear zone procure des sensations intenses. La figure suivante donne une interprétation géologique de cette dalle.

Localisation par fichier kmz de la ville de Custer, Dakota du Sud, USA.


Interprétation géologique de la dalle de granite cisaillée

Figure 2. Interprétation géologique de la dalle de granite cisaillée.

La majorité de la dalle est constituée d'un granite isotrope ou légèrement schistosé. Une bande de granite fortement schistosé traverse cette dalle en biais, passant entre le lavabo et les savons : une zone de cisaillement (shear zone en anglais). L'orientation de la schistosité à l'intérieur de la bande de granite déformé indique que, dans la position actuelle de cette dalle, la déformation correspond à un décrochement senestre. Si cette dalle avait été disposée en position verticale à l'arrière du “plan de travail”, cette déformation correspondrait à une faille inverse.


On peut classer les multiples types de déformations existant dans la nature de différentes manières. On peut ainsi séparer (1) les déformations cassantes et discontinues (failles, fentes…, cf., par exemple, Failles normales et extension dans une zone de convergence (chaîne de collision) : exemple au Ladakh (Inde), Himalaya et Fentes en échelons dans les Alpes, les Pyrénées et le Sahara) et (2) les déformations continues (plis, schistosité/foliation…, cf., par exemple, Les migmatites micro-plissées de la Sand River, Afrique du Sud). Dans les déformations continues, on peut séparer les déformations homogènes ou hétérogènes, mais cela dépend de l'échelle d'observation. Dans ces mêmes déformations continues, on peut aussi distinguer (1) l'aplatissement/élongation sans mouvement tangentiel, “officiellement” appelé “cisaillement pur” (pure shear en anglais) et (2) le “cisaillement simple” (simple shear en anglais) qui possède une composante tangentielle, cf. Plan d'aplatissement, plans de schistosité (plans S) et plans de cisaillement (plans C). Toutes les associations peuvent exister entre ces différentes catégories (association pli/faille, plis/schistosité, cisaillement/schistosité…). Toutes les relations géométriques entre ces catégories peuvent être étudiées (position de la schistosité dans un cisaillement simple…).

C'est cette dernière relation schistosité/cisaillement simple que nous vous montrons cette semaine dans le cas de déformations hétérogènes, à l'échelle de quelques centimètres. Nous présenterons des “petits” cisaillements simples affectant des granites, des marbres ou des gneiss plus ou moins migmatitiques. Dans un premier temps, nous regarderons ce cisaillement affectant une dalle de salle de bain (figures 1 à 7), puis un cisaillement affectant un filon de granite dans le massif de l'Agly (figures 8 à 13), puis six cisaillements provenant du Tyrol italien (figure 14), puis un cisaillement dans un marbre des Corbières (figures 15 et 16), puis des cisaillements dans des gneiss de Namibie (figures 17 à 22), et enfin des cisaillements affectant des migmatites d'Inde (figures 23 et 24). Certains de ces mini-cisaillements ont été découverts tout à fait par hasard, car visibles là où on ne les recherchait pas, à savoir dans des dalles polies de salle de bain, de tables de bar, d'un hall d'aéroport… Pensez-y quand vous irez à l'hôtel, au café, prendre l'avion… Par contre, les échantillons bruts issus des Pyrénées ou du Tyrol italien n'ont été trouvés que parce qu'on les cherchait.

Dalle de granite, poli et cisaillé, installée dans la salle de bain d'un hôtel de Custer, Dakota du Sud

Figure 3. Dalle de granite, poli et cisaillé, installée dans la salle de bain d'un hôtel de Custer, Dakota du Sud.

On y voit très bien : (1) la progressivité de la déformation, croissant quand on s'approche du centre de la zone de cisaillement, (2) la taille moyenne des cristaux qui tend à diminuer avec l'intensité de la déformation, (3) la géométrie sigmoïde de la schistosité, et (4) l'angle entre la schistosité et la direction de la zone de cisaillement (cf. Plan d'aplatissement, plans de schistosité (plans S) et plans de cisaillement (plans C)) permettant de déterminer le sens du cisaillement, ici senestre.


Vue rapprochée sur la shear zone (zone de cisaillement) d'un granite poli de salle de bain

Figure 4. Vue rapprochée sur la shear zone (zone de cisaillement) d'un granite poli de salle de bain.

On y voit très bien : (1) la progressivité de la déformation, croissant quand on s'approche du centre de la zone de cisaillement, (2) la taille moyenne des cristaux qui tend à diminuer avec l'intensité de la déformation, (3) la géométrie sigmoïde de la schistosité, et (4) l'angle entre la schistosité et la direction de la zone de cisaillement (cf. Plan d'aplatissement, plans de schistosité (plans S) et plans de cisaillement (plans C)) permettant de déterminer le sens du cisaillement, ici senestre.


Détail d'une shear zone (zone de cisaillement) d'un granite poli de salle de bain

Figure 5. Détail d'une shear zone (zone de cisaillement) d'un granite poli de salle de bain.

On y voit très bien : (1) la progressivité de la déformation, croissant quand on s'approche du centre de la zone de cisaillement, (2) la taille moyenne des cristaux qui tend à diminuer avec l'intensité de la déformation, (3) la géométrie sigmoïde de la schistosité, et (4) l'angle entre la schistosité et la direction de la zone de cisaillement (cf. Plan d'aplatissement, plans de schistosité (plans S) et plans de cisaillement (plans C)) permettant de déterminer le sens du cisaillement, ici senestre.


Dans le cas d'un cisaillement ductile, il y a deux extrêmes possibles, avec tous les intermédiaires : une déformation homogène sur un grand volume de roche (figure 6) ou une déformation hétérogène et localisée (figure 7). En théorie, des contraintes anisotropes mais “homogènement anisotropes” doivent engendrer une déformation homogène et régulière si le matériel est lui-même homogène. Par contre si le matériel est hétérogène, avec par exemple une zone moins résistante, cette zone moins résistante localise la déformation qui se concentre dans une bande étroite : une zone de déformation (shear zone). Or, une zone déformée voit la taille de ses cristaux diminuer, ce qui diminue la résistance de cette zone à la déformation, ce qui y concentre encore plus la déformation… C'est pour cela qu'à toutes les échelles (de l'échelle de la lithosphère à celle de l'échantillon) la déformation se concentre souvent dans des zones localisées, des zones de cisaillements (shear zones).

Représentation théorique de la déformation homogène d'un bloc de granite isotrope de forme rectangulaire

Figure 6. Représentation théorique de la déformation homogène d'un bloc de granite isotrope de forme rectangulaire.

Les cristaux sont représentés par des cercles rouges. Après un cisaillement homogène, le rectangle est devenu un parallélogramme (en haut), les cercles sont devenus des ellipses “aplaties” dont l'alignement détermine une schistosité (traits bleus). Si le cisaillement est faible comme sur ce schéma, la schistosité n'est pas très marquée.


Représentation théorique de la déformation hétérogène d'un bloc de granite isotrope de forme rectangulaire

Figure 7. Représentation théorique de la déformation hétérogène d'un bloc de granite isotrope de forme rectangulaire.

Les cristaux sont représentés par des cercles rouges. On soumet ce rectangle à une déformation cisaillante de même intensité que dans la figure 6, mais localisée sur la grande médiane du rectangle. Comme la déformation globale du rectangle est la même que dans la figure 6 mais localisée dans une zone étroite, cette déformation locale y est plus intense, la schistosité y est très marquée, et de forme sigmoïde.


Dans les figures précédentes, que ce soit dans la dalle de granite de la salle de bain ou dans les schémas théoriques, les cristaux initiaux ont changé de géométrie et de taille, mais sont encore reconnaissables. Le granite est devenu orthogneiss. Si les plans de schistosité sont très rapprochés (mais les minéraux encore reconnaissables (du moins à l'œil nu), on passe progressivement d'un orthogneiss à une roche nommée mylonite. Si la déformation est encore plus intense, la taille des cristaux est encore réduite, et les cristaux ne sont plus reconnaissable, du moins à l'œil nu, et on parle alors d'ultramylonite.

Schéma théorique montrant l'origine des orthogneiss, mylonite et ultramylonite dans le cas d'un cisaillement ductile affectant un granite

Figure 8. Schéma théorique montrant l'origine des orthogneiss, mylonite et ultramylonite dans le cas d'un cisaillement ductile affectant un granite.

À gauche, déformation modérée conduisant (à peine) à une mylonite au centre de la zone de cisaillement. À droite, déformation intense conduisant à la genèse d'une ultramylonite. L'augmentation de la déformation est bien évidemment progressive, et on passe de façon graduelle d'un granite à un orthogneiss, puis à une mylonite et enfin à une ultramylonite.


Bloc de granite affecté par une zone de cisaillement avec en son centre une bande grisâtre d'ultramylonite, où les cristaux préexistants ne sont plus visibles tellement la déformation a été intense

Figure 9. Bloc de granite affecté par une zone de cisaillement avec en son centre une bande grisâtre d'ultramylonite, où les cristaux préexistants ne sont plus visibles tellement la déformation a été intense.

L'augmentation de la déformation est bien évidemment progressive, et on passe de façon graduelle du granite (γ) à l'orthogneiss (og) à la mylonite (m) puis à l'ultramylonite (um). La relation géométrique entre la schistosité et la direction de la bande de cisaillement montre qu'il s'agit d'un décrochement ductile senestre dans la position où a été photographié cet échantillon, échantillon maintenant dans la collection de l'ENS de Lyon. Ce granite ultramylonitisé a été ramassé dans les années 1990 en bord de route dans les Pyrénées, dans le massif hercynien de l'Agly (Pyrénées-Orientales), alors que les services de l'Équipement venaient d'élargir la route et d'en “rafraichir” les bords.

Localisation par fichier kmz du site d'échantillonnage dans le massif pyrénéen de l'Agly (Pyrénées-Orientales).


Bande d'ultramylonite dans un granite du massif de l'Agly (Pyrénées-Orientales)

Figure 10. Bande d'ultramylonite dans un granite du massif de l'Agly (Pyrénées-Orientales).

L'ultramylonite correspond à la bande grisâtre sans cristaux visibles traversant la photo de gauche à droite. Dans la roche peu ou pas déformée, on reconnait bien les cristaux de quartz (gris clair), feldspath (blanc crème) et biotite (noir). Quand on s'approche de la zone d'ultramylonite (dont la couleur correspond à un “mélange” de la couleur des trois minéraux), on voit une augmentation de la visibilité de la schistosité et la diminution de la taille des cristaux.


Détail d'une bande d'ultramylonite dans un granite du massif de l'Agly (Pyrénées-Orientales)

Figure 11. Détail d'une bande d'ultramylonite dans un granite du massif de l'Agly (Pyrénées-Orientales).

L'ultramylonite correspond à la bande grisâtre sans cristaux visibles traversant la photo de gauche à droite. Dans la roche peu ou pas déformée, on reconnait bien les cristaux de quartz (gris clair), feldspath (blanc crème) et biotite (noir). Quand on s'approche de la zone d'ultramylonite (dont la couleur correspond à un “mélange” de la couleur des trois minéraux), on voit une augmentation de la visibilité de la schistosité et la diminution de la taille des cristaux.


Zoom sur une bande d'ultramylonite dans un granite du massif de l'Agly (Pyrénées-Orientales)

Figure 12. Zoom sur une bande d'ultramylonite dans un granite du massif de l'Agly (Pyrénées-Orientales).

L'ultramylonite correspond à la bande grisâtre sans cristaux visibles traversant la photo de gauche à droite. Dans la roche peu ou pas déformée, on reconnait bien les cristaux de quartz (gris clair), feldspath (blanc crème) et biotite (noir). Quand on s'approche de la zone d'ultramylonite (dont la couleur correspond à un “mélange” de la couleur des trois minéraux), on voit une augmentation de la visibilité de la schistosité et la diminution de la taille des cristaux.



On peut parfois sur un même affleurement voir de nombreuses mini-zones de cisaillement, certaines montrant une très faible déformation et d'autres une très forte déformation allant jusqu'à l'ultramylonite. C'est le cas en amont du Lago de Neves (Tyrol, Italie) où le travail de Philippe Goncalves (2014) décrit des dizaines de mini-cisaillements visibles sur des polis glaciaires affectant des granodiorites, polis glaciaires récemment dégagés par le recul d'un glacier. La figure 14 montre 6 photographies de 6 mini-zones de cisaillement, allant d'une granodiorite à peine déformée à des bandes d'ultramylonite de plusieurs centimètres de large.

Détails de six zones de cisaillement développées dans une granodiorite du Tyrol italien

Figure 14. Détails de six zones de cisaillement développées dans une granodiorite du Tyrol italien.

Chacune de ces six zones montre une déformation de plus en plus importante, allant d'une déformation quasi nulle (image 1, en haut à gauche) jusqu'à une déformation intense ayant engendré une bande d'ultramylonite de plusieurs centimètres de large (image 6, en bas à droite). Pour faciliter la comparaison avec les déformations (senestres) montrées sur les figures précédentes, ces photos ont subi une rotation autour d'un axe vertical (symétrie horizontale).

Localisation par fichier kmz du Lago de Neves, “fenêtre” du Tauern, Tyrol, Italie.


Les mini-cisaillements ductiles n'affectent évidemment pas que les granites, mais tout type de roche. Mais ces zones de cisaillement et leur déformations croissantes sur quelques centimètres ne sont bien visibles à l'œil nu que si la roche contient des éléments aux couleurs contrastées visualisant la déformation, que ce soit des granitoïdes comme dans les photographies précédentes, des gabbros comme dans Un gabbro déformé, ophiolite hercynienne de Chamrousse (38), ou des calcaires à rudistes comme dans les deux figures suivantes.

Bloc de marbre issu d'un calcaire urgonien à rudistes (Crétacé inférieur) affecté par le “métamorphisme pyrénéen” (Crétacé supérieur, HT-BP)

Figure 15. Bloc de marbre issu d'un calcaire urgonien à rudistes (Crétacé inférieur) affecté par le “métamorphisme pyrénéen” (Crétacé supérieur, HT-BP).

Ce bloc de marbre a été ramassé dans un tas de cailloux laissé en bordure d'une vigne après que le viticulteur l'a dépierrée. En haut de l'échantillon, on reconnait un calcaire fossilifère, qu'on peut identifier comme des rudistes sur des échantillons voisins (c'est plus difficile sur cet échantillon). Avant la déformation, ce calcaire à rudiste devait ressembler (à la couleur près) à celui de la figure 9 de Découvrir les rudistes en parcourant les rues de Saint-Sébastien (Pays basque espagnol) et en visitant le musée d'Orgon (Bouches du Rhône). La déformation (nulle en haut de l'échantillon) augmente vers le bas, où on a ce qu'on pourrait appeler une “ultramylonite de rudistes”. Les relations entre schistosité et bande de cisaillement indiquent un décrochement senestre (dans la position de l'échantillon). Cet échantillon maintenant dans les collections de l'ENS Lyon a été ramassé dans les années 1990 près d'Estagel (au Sud des Corbières, Pyrénées-Orientales).

Localisation par fichier kmz du site à calcaire urgonien à rudistes mylonitisé, Estagel (Pyrénées-Orientales).


Détail d'un bloc de marbre issu d'un calcaire urgonien à rudistes (Crétacé inférieur) affecté par le “métamorphisme pyrénéen” (Crétacé supérieur, HT-BP)

Figure 16. Détail d'un bloc de marbre issu d'un calcaire urgonien à rudistes (Crétacé inférieur) affecté par le “métamorphisme pyrénéen” (Crétacé supérieur, HT-BP).

Ce bloc de marbre a été ramassé dans un tas de cailloux laissé en bordure d'une vigne après que le viticulteur l'a dépierrée. En haut de l'échantillon, on reconnait un calcaire fossilifère, qu'on peut identifier comme des rudistes sur des échantillons voisins (c'est plus difficile sur cet échantillon). Avant la déformation, ce calcaire à rudiste devait ressembler (à la couleur près) à celui de la figure 9 de Découvrir les rudistes en parcourant les rues de Saint-Sébastien (Pays basque espagnol) et en visitant le musée d'Orgon (Bouches du Rhône). La déformation (nulle en haut de l'échantillon) augmente vers le bas, où on a ce qu'on pourrait appeler une “ultramylonite de rudistes”. Les relations entre schistosité et bande de cisaillement indiquent un décrochement senestre (dans la position de l'échantillon). Cet échantillon maintenant dans les collections de l'ENS Lyon a été ramassé dans les années 1990 près d'Estagel (au Sud des Corbières, Pyrénées-Orientales).


Souvent, il faut chercher ces mini-zones de cisaillement, comme dans le massif de l'Agly, près du lac de Neves, dans les Corbières… Et quand on cherche, on trouve comme le dit l'Évangile (Matthieu 7:7-11). Mais parfois, c'est par hasard qu'on tombe sur des mini-cisaillement “hors sol”, comme celui de la salle de bain d'un hôtel du Dakota du Sud. Combien de clients se sont brossé les dents dans cette même chambre d'hôtel sans remarquer qu'il se brossaient les dents devant un décrochement senestre ; « ils ont des yeux mais ils ne voient pas » comme le dit le prophète Jérémie.

Voici deux exemples de mini-cisaillements ductiles affectant des gneiss migmatitiques photographiés “hors sol” au hasard de voyages en Namibie ou en Himalaya.

Une table montrant des mini-zones de cisaillement, table du café-bar d'un hôtel de Sesriem, Namibie

Figure 17. Une table montrant des mini-zones de cisaillement, table du café-bar d'un hôtel de Sesriem, Namibie.

Cet hôtel a déjà été “visité” pour son urinoir, cf. Pegmatites polies d'Afrique australe (Namibie et Afrique du Sud), et Sesriem pour son canyon, cf. Le canyon de Sesriem, Namibie.

Le plateau de cette table est constitué d'un gneiss présentant une schistosité/foliation bien marquée, affecté d'une légère fusion partielle (migmatisation) et parcouru de filons aplo-pegmatitiques. La schistosité/foliation du gneiss et certains filons aplo-pegmatitiques (mais pas tous, chronologie relative facile à faire) sont affectés par des décrochements ductiles dextres, présentant des décalages centimétriques à décimétriques. Les mini-zones de cisaillement sont globalement plus claires que le reste du gneiss, car plus riches en micro-zones d'accumulation de liquides issus de la fusion partielle (micro-zones “granitiques”). Cette observation illustre la relation fréquente zone de cisaillement ductile - granite, que ce soit à l'échelle de l'échantillon, comme ici, ou à l'échelle d'une orogenèse comme la Zone Broyée Sud-Armoricaine. Cette relation est sans doute d'origine multifactorielle : (1) échauffement dû aux frottements dans la zone de déformation (peu vraisemblable quand les mouvements ne sont que d'ampleur centimétrique comme ici), (2) circulation d'eau ou autres fluides dans les zones en cours de déformation, eau qui abaisse la température de fusion du matériel, ou (3) les zones de cisaillements fonctionnent comme des drains qui concentrent les liquides de fusion produits au voisinage. Il faisait trop chaud en ce début d'été namibien pour que j'examine en détail les 15 tables du bar et que je puisse essayer de déterminer par des observations précises les parts relatives entre ces trois causes proposées depuis des décennies. J'ai préféré boire une bonne bière fraiche.

Localisation par fichier kmz de l'hôtel de Sesriem, Namibie.




Une autre table montrant des mini-zones de cisaillement, table du café-bar d'un hôtel de Sesriem, Namibie

Figure 20. Une autre table montrant des mini-zones de cisaillement, table du café-bar d'un hôtel de Sesriem, Namibie.

Cette table est constituée d'un gneiss présentant une schistosité/foliation bien marquée, affecté d'une légère fusion partielle (migmatisation) et parcouru de filons aplo-pegmatitiques. La schistosité du gneiss et certains filons aplo-pegmatitiques sont affectés par des décrochements ductiles dextres, présentant des décalages décimétriques. Les mini-zones de décrochement sont globalement plus claires que le reste du gneiss, car plus riches en micro-zones d'accumulation de liquides issus de la fusion partielle (micro-zones « granitiques »). Cette observation illustre la relation fréquente zone de cisaillement ductile - granite, que ce soit à l'échelle de l'échantillon comme ici ou à l'échelle d'une orogénèse comme la Zone Broyée Sud-Armoricaine. Cette relation est sans doute d'origine multifactorielle : (1) échauffement dû aux frottements dans la zone de déformation (peu vraisemblable quand les mouvements ne sont que d'ampleur décimétrique comme ici), (2) circulation d'eau ou autres fluides dans les zones en cours de déformation, eau qui abaisse la température de fusion du matériel, ou (3) les zones de cisaillements fonctionnent comme des drains qui concentrent les liquides de fusion produits au voisinage. Il faisait trop chaud en ce début d'été namibien pour que j'examine en détail les 15 tables du bar et que je puisse essayer de déterminer par des observations précises les parts relatives entre ces trois causes proposées depuis des décennies. J'ai préféré boire une bonne bière fraiche.

Localisation par fichier kmz de l'hôtel de Sesriem, Namibie.




Dalle de migmatite cisaillée au sol d'un hall de l'aéroport de New Delhi (Inde) “découverte” sur le trajet Ladakh-France

Figure 23. Dalle de migmatite cisaillée au sol d'un hall de l'aéroport de New Delhi (Inde) “découverte” sur le trajet Ladakh-France.

On y voit un gneiss migmatitique affecté par deux zones de cisaillement (senestres dans leur position actuelle). Comme dans les six photos précédentes, les zones de cisaillement sont particulièrement riches en magma granitique (solidifié). La discussion sur l'origine de cette concentration en granite est déjà faite pour les deux exemples de tables namibiennes. précédentes.


Dalle de migmatite cisaillée au sol d'un hall de l'aéroport de New Delhi (Inde) “découverte” sur le trajet Ladakh-France

Figure 24. Dalle de migmatite cisaillée au sol d'un hall de l'aéroport de New Delhi (Inde) “découverte” sur le trajet Ladakh-France.

On y voit un gneiss migmatitique affecté par deux zones de cisaillement (senestres dans leur position actuelle). Comme dans les six photos précédentes, les zones de cisaillement sont particulièrement riches en magma granitique (solidifié). La discussion sur l'origine de cette concentration en granite est déjà faite pour les deux exemples de tables namibiennes. précédentes.


Les mots mylonites, ultramylonites… ont souvent été utilisés dans cet article. Jusque dans les années 1970, on appelait mylonite une roche “broyée” par des mouvements tectoniques. Depuis les années 1970, les termes de mylonite et d'ultramylonite sont réservés aux roches intensément déformées en conditions de déformation ductile, quand la déformation s'accompagne d'une recristallisation, c'est-à-dire en conditions métamorphiques (haute température et/ou haute pression). Dans le cas d'un “broyage” en domaine de tectonique cassante, on parle depuis les années 1970 de “brèche de faille”, ou de “cataclasite”, ou encore de “gouge” (voir par exemple les figures 8 et 9 de Miroir de faille décrochante : faille du Vuache, la Petite Balme, Sillingy (Haute Savoie)).

Deux origines à ce mot “mylonite” ont été proposées. L'étymologie majoritairement admise vient du grec mulôn (μυλών) = moulin. Une autre origine est parfois évoquée. Le mot mylonite viendrait du nom de l'athlète grec du 6e siècle av. JC, Milon de Crotone (figure ci-dessous).

Gravure italienne du XVIe siècle due à Niccolo Boldrini (1492-1570) représentant la mort de Milon de Crotone

Figure 25. Gravure italienne du XVIe siècle due à Niccolo Boldrini (1492-1570) représentant la mort de Milon de Crotone.

Cet antique athlète grec était réputé pour sa très grande force et ses nombreuses victoires aux jeux olympiques. La légende dit que, devenu vieux, il a voulu fendre un arbre en long et en écarter les deux moitiés du tronc avec ses mains, comme il le faisait du temps de sa jeunesse. Mais il avait perdu une partie de sa force ; l'arbre fendu se resserra sur ses mains, les écrasa et les broya (d'où, possiblement, le mot de mylonite), et il ne put se dégager. La nuit venue, il fut dévoré vivant par les bêtes sauvages.