Ce document traite des éléments de mécanique des roches, en se concentrant sur la déformation des matériaux de l'écorce terrestre, tant de manière cassante que souple. Il aborde les concepts de contraintes en tectonique, ainsi que la distinction entre contraintes isotropes et anisotropes, tout en expliquant les types de déformations et leurs conséquences sur les structures géologiques. L'étude inclut des notions de rhéologie et de déformations coaxiales et non coaxiales, essentielles à la compréhension des processus géologiques.

1. EUTG
Classe : Licence 2 GMP
SEMESTRE 4
Matière
Présenté par
EL HADJI ALIOU SAMOUNOU
Année Universitaire 2023/2024
GÉOLOGIE STRUCTURALE
Cours 2
2/16/2024
1

2. Chapitre 1 : Éléments de Mécanique des Roches*
INTRODUCTION
Les matériaux de l’écorce terrestre se déforment principalement soit de façon
cassante (failles) soit de façon souple (plis). Les plis sont des ondulations affectant les
roches, tandis que les failles sont des fractures avec déplacement. L’étude des plis et des
failles peut être abordée de deux façons :
 d’un point de vue géométrique, par l’observation et la description des structures
déformées;
 d’un point de vue génétique, par la détermination du mode et des conditions de leur
formation.
La déformation des matériaux rocheux est régie par les lois de la physique. Aussi, une
introduction de quelques notions de mécanique (effet des forces sur un corps) et de
rhéologie (comportement des matériaux lors de leur déformation) s'avère nécessaire.
I. NOTION DE CONTRAINTES EN TECTONIQUE
Une contrainte est une sollicitation mécanique affectant une surface donnée d’un volume
rocheux. Soit un volume donné de roche soumis à des pressions, c'est à dire des forces
appliquées sur sa surface externe, et un plan (P) en équilibre sous l'action des forces
externes, la résultante des forces exercées sur une surface unitaire portant un point donné
(M) est la contrainte (stress) en ce point (fig.1, pl. 1).
3

3. État de contraintes
L'état de contraintes en un point donné correspond à trois directions orthogonales
de contraintes, passant par ce point. Elles sont représentées par les contraintes
principales
normales :  1 ,  2 ,  3 (avec  1.≥ 3 ). Suivant ces trois directions orthogonales
de contraintes, les composantes tangentielles s'annulent [LELUBRE, 1976; BLÈS &
FEUGA, 1981; NICOLAS, 1988].
L'état de contraintes peut être représenté géométriquement par une ellipsoïde de
contraintes, dont les trois axes représentent les trois contraintes normales principales : 1 ,
2 ,  3 ( fig. 2, pl. 1) [BLÈS & FEUGA, 1981; NICOLAS, 1988].
2. Contraintes anisotropes et contraintes isotropes
1. Contrainte isotrope (Roches au "repos" dans les plaques stables)
Si la contrainte est la même dans les 3 directions de l'espace ( = cte), on dit qu'elle
est isotrope. L ' ellipsoïde de contraintes est alors une sphère [fig. 2-(c), pl. 1]. C'est par
exemple la contrainte supportée par un ballon plongé dans un liquide (Blès & Feuga,
1981; Mercier & Vergely, 1992).
3
2 ≥

4. 4
Dans la Terre, près de la surface, à une profondeur z, la pression lithostatique Pl (ou
charge géostatique) créée par le poids des roches sus-jacentes de densité  peut ne
pas être isotrope et, s’exercer verticalement. Elle s’écrit zz = Pl = gz, avec g = cte
(accélération de la pesanteur). Les contraintes horizontales correspondantes sont, en
l’absence de forces tectoniques : 2 = 3 < Pl.
À partir d’une profondeur de l’ordre de 3000 m, la pression lithostatique Pl devient
isotrope (1 = 2 = 3 = Pl) (toutes les contraintes différentielles sont relâchées par déformation),
ainsi à cette profondeur, pour une roche de densité 2,5, la pression est de Pl = gz =
750 kg / cm2. Cette profondeur est celle, à partir de laquelle les roches acquièrent un
comportement ductile (cf. Chap. 2) : les pores ont tendance à se fermer, tandis que la
perméabilité se réduit, puis s’annule (Mattauer, 1973; Nicolas, 1988; Mercier & Vergely,
1992).
2. Contrainte anisotrope (Roches soumises à une contrainte tectonique)
Si la contrainte est différente suivant les 3 directions de l'espace, on dit qu'elle est
anisotrope [fig. 2-(a), pl. 1]. C'est ce qui se produit dans un bassin soumis à des efforts
tectoniques (pressions orientées comme dans les machoires d'une presse par exemple,
fig. 13, pl. 4).
Cette contrainte anisotrope peut se décomposer en trois contraintes normales
principales :
• une contrainte maximale  1 suivant la direction de compression maximale;
• une contrainte minimale 3 suivant la direction de compression minimale;
• et géométriquement une contrainte intermédiaire 2 ;
 1 représente le grand axe de l’ellipsoïde de contraintes, tandis que  3 correspond au petit
axe [fig. 2-(a), pl. 1].
(2 =  3 ,
Lorsque 2 des contraintes principales sont égales fig. 2-(b), pl. 1),
l’ellipsoïde obtenu est dite de révolution (cas d’une presse hydraulique) -Mattauer, 1973;
Nicolas, 1988; Mercier & Vergely, 1992-

5. 4
I.3. Origine des forces génératrices des contraintes
Deux types de forces interviennent pour épaissir ou amincir une croûte continentale :
(1) les unes, horizontales, liées aux mouvements des plaques et s’appliquant aux
limites de la croûte continentale : les forces aux limites. Elles peuvent être extensives
ou compressives (fig. 3 et 5, pl. 1).
(2) les autres, dites forces de volume (fig. 4 et 5, pl. 1), résultent de l’instabilité
gravitaire, due à l’effet conjugué du poids des reliefs et de la poussée d’Archimède
exercée sur les racines profondes de la croûte continentale (Jolivet, 1995 ; Malavieille &
Seranne, 1996). Ces forces de volume expliquent l’effondrement gravitaire d’une chaîne
de montagne ou le rebond isostatique suite à une déglaciation. Elles permettent
d’expliquer la mise en place de diapirs de granitoïdes (cas du birimien du Liptako).
II . NOTION DE DÉFORMATIONS
Un objet quelconque (exemple un ballon ou une boule de pâte à modeler) soumis à
une compression se déforme [fig. 6-(a), pl. 2] :
 en s'aplatissant suivant la direction de appelée alors direction de
1
raccourcissement ou d'aplatissement (axe Z);
 et en s'allongeant dans une direction perpendiculaire à la contrainte majeure  1 et
appelée direction d'extension (axe X).
L'état de déformation d'un objet géologique quelconque peut être représenté par une
ellipsoïde de déformation (fig. 7) comportant trois axes perpendiculaires (X, Y, Z) :

6. 5
- X représente la direction d'allongement;
- Y correspond à la direction intermédiaire,
- et Z, la direction de raccourcissement -fig. 6-c, pl. II- [BLÈS, 1981; ARTHAUD &
MATTAUER, 1969; NICOLAS, 1988; Mercier & Vergely, 1992; Jolivet, 1995].
1. Déformation linéaire et déformation angulaire
Lorsque la déformation est linéaire il y a changement de longueur mais conservation
des angles entre l’état initial et l’état final [fig. 8-(a), pl. 2].
La déformation est dite angulaire ou cisaillante, lorsque par exemple un corps de
forme rectangulaire devient un parallélogramme [fig. 8-(b), pl. 2] - Mercier & Vergely,
1992-.
2. Déformation et déplacements
Un objet géologique quelle que soit sa taille peut se déformer sous l'action des forces
externes.
 On parle de translation, lorsque les particules constituants un objet géologique se
déplacent suivant des vecteurs-déplacements parallèles et de même module [fig.
9-(a), pl. 2], exemple déplacement de plaques ;
 On parle de rotation, lorsqu'il y a une déviation angulaire par rapport à un niveau
repère initial (mouvement de rotation de l'Afrique par rapport à l'Europe) [fig. 9-(b), pl. 2],
 On parle de distorsion, lorsque le corps a subi non seulement une translation,
mais aussi un changement de forme [fig. 9-(b), pl. 2].
II.3. Déformation coaxiale et déformation non coaxiale
• Lorsque les axes X, Y, Z de l'ellipsoïde de déformation coïncident et respectivement
avec les axes  3 ,  2 ,  1 , de l'ellipsoïde des contraintes, le régime de déformation est
dit coaxial on parle de cisaillement pur (fig. 10-A, pl. 3).
• Si par contre, les axes de l'ellipsoïde de déformation sont décalés, la déformation
est rotationnelle ou non coaxiale on parle de cisaillement simple (fig. 10-B, pl. 3). Le
cisaillement simple conduit à une rotation progressive des axes de l'ellipsoïde de
déformation.

7. 5
II.4. Déformation homogène et déformation hétérogène
Dans un objet géologique, si des lignes parallèles à l’état initial restent parallèles à
l’état final ou si une droite est transformée en une droite, la déformation est dite
homogène [fig. 11-(a), pl. 3]. Lorsque la déformation est homogène, le gradient de
déplacement est constant pour chaque particule du corps déformé [fig. 11-(c), pl. 3]
(NICOLAS, 1988; Mercier & Vergely, 1992).
Lorsque ce gradient n’est pas constant, la déformation est dite hétérogène [fig. 11-(b),
pl. 3]; dans ce cas les lignes parallèles dans l’état initial ne le sont plus dans l’état final.
Une droite est transformée en courbe.
II.5. Déformation instantanée et déformation finie
Une déformation finie, résultant par exemple de la transformation d’une sphère (état
initial) en une ellipsoïde se réalise par l'addition de petites déformations successives dites
infinitésimales. Chaque déformation infinitésimale ou incrémentale correspond à une
déformation instantanée (fig. 12, pl. 3) (Vialon et al., 1976; Mercier & Vergely, 1992).
Le travail du structuraliste consiste à définir la forme de l'ellipsoïde de déformation
finie, puis à étudier le chemin suivi par l’objet géologique pour atteindre cet état fini.
Si les axes des ellipsoïdes incrémentaux sont parallèles entre eux lors de la
déformation progressive, on dira que celle-ci est coaxiale (fig. 12-a, pl. 3) (déformation
pure ou cisaillement pur des géomécaniciens). Si ces axes ne le sont pas, la

8. 6
déformation progressive est non coaxiale (fig. 12-b, pl. 3) -Mercier & Vergely, 1992;
Jolivet, 1995-.
NB : Dans le cisaillement simple, les plans de cisaillement ne subissent aucune déformation, ils sont
invariants (fig. 12-b, pl. 3). Le cisaillement pur et le cisaillement simple sont les deux principaux régimes de
déformation. En tectonique, ils peuvent intervenir seuls ou associés.
II.6. Déformation continue et déformation discontinue
La déformation est dite continue lorsque 2 points en contact dans l'état initial le sont
toujours dans l'état final. Ainsi des parallèles restent parallèles (et selon une direction donnée
l'extension est toujours la même, la rotation aussi).
La déformation est dite discontinue (ou cassante) lorsqu'elle entraîne le plus
souvent des ruptures (c'est le domaine de la mécanique des roches, ayant de nombreuses applications
pratiques : tenues des ouvrages en génie civile, fracturation provoquée en carrière ou galerie des mines...).
Les discontinuités qui se forment le plus souvent sont le siège de déplacements.