Quand la contrainte déviatorique dépasse la résistance d'une roche restée dans le domaine cassant, celle-ci se rompt : c'est le domaine des fractures et des failles, structures les plus fréquemment observées sur le terrain et en carrière. Ce chapitre détaille les mécanismes de la rupture, le critère qui prédit son orientation, et la classification des failles — un socle indispensable pour l'analyse des populations de failles du chapitre 6.
1. Les mécanismes de la déformation cassante
À l'échelle microscopique, la déformation cassante procède par rupture des liaisons atomiques : les microfissures s'initient et se propagent à partir de défauts préexistants, les fentes de Griffith, de minuscules discontinuités (pores, joints de grains, inclusions) qui concentrent localement la contrainte bien au-delà de sa valeur moyenne. C'est la coalescence de nombreuses microfissures de Griffith, orientées et propagées sous l'effet de la contrainte, qui conduit à la rupture macroscopique observable : faille, joint ou fente.
2. Le critère de rupture de Navier-Coulomb
Le critère de Navier-Coulomb prédit sur quel plan une roche va se rompre en cisaillement : la rupture se produit lorsque la contrainte tangentielle τ dépasse une valeur qui augmente linéairement avec la contrainte normale σₙ, selon la relation τ = C₀ + μ·σₙ, où C₀ est la cohésion de la roche (résistance au cisaillement sous contrainte normale nulle) et μ le coefficient de frottement interne. Ce critère explique pourquoi une roche confinée (σₙ élevée) résiste davantage à la rupture qu'une roche proche de la surface, et pourquoi la rupture ne se produit jamais exactement dans le plan de σ₁, mais selon un angle caractéristique par rapport à cette direction.
3. Le cercle de Mohr et l'orientation de la rupture
Le cercle de Mohr est le diagramme graphique (τ en ordonnée, σₙ en abscisse) qui représente, pour toutes les orientations de plan possibles, le couple (σₙ, τ) à partir des seules valeurs de σ₁ et σ₃. L'intersection de ce cercle avec la droite de Navier-Coulomb donne le ou les plans sur lesquels la rupture se produit en premier. Pour la plupart des roches, cette construction prédit deux plans de rupture possibles, symétriques par rapport à σ₁, formant chacun un angle d'environ 30° avec la direction de σ₁ — soit un angle dièdre d'environ 60° entre les deux plans conjugués : ce sont les failles conjuguées.
4. Classification des failles
Une faille est une surface (ou une zone) de discontinuité le long de laquelle deux compartiments rocheux ont glissé l'un par rapport à l'autre. Selon le rejet observé, on distingue la faille normale (le compartiment supérieur, ou toit, descend par rapport au mur — régime en extension, σ₁ vertical), la faille inverse (le toit monte par rapport au mur — régime en compression, σ₁ horizontal, σ₃ vertical) et la faille décrochante (mouvement essentiellement horizontal, parallèle à la direction de la faille — σ₂ vertical). Cette classification, héritée de la théorie d'Anderson, relie directement le régime de contrainte régional (extension, compression, décrochement) au type de faille attendu, en admettant que l'une des contraintes principales est verticale au voisinage de la surface libre.
5. Joints, fentes de tension et joints stylolithiques
Les joints (ou diaclases) sont des fractures sans rejet visible, ouvertes en mode I (traction), perpendiculaires à σ₃. Les fentes de tension leur sont apparentées : elles s'ouvrent perpendiculairement à la direction d'extension et se remplissent souvent de minéraux fibreux (quartz, calcite) qui cristallisent au fur et à mesure de leur ouverture, enregistrant ainsi la direction et parfois l'histoire progressive de la déformation. À l'inverse, les joints stylolithiques résultent d'une dissolution sous pression localisée le long d'un plan perpendiculaire à σ₁ : la surface irrégulière, en dents de scie, marque la perte de matière dissoute et exportée, un mécanisme qui relève déjà de la déformation ductile par dissolution (voir chapitre 5).
6. Failles conjuguées et populations de failles
Sur le terrain, les failles se présentent rarement isolées : elles forment des populations de failles, ensembles de plans dont l'orientation, la fréquence et le sens de mouvement enregistrent statistiquement l'état de contrainte régional au moment de leur formation. Deux failles conjuguées, formées simultanément sous le même état de contrainte, partagent la même direction de σ₂ (l'intersection des deux plans) et permettent, une fois identifiées, de reconstituer l'orientation de σ₁ et σ₃ — c'est le point de départ de l'analyse développée au chapitre 6.
Surface ou zone de discontinuité cassante le long de laquelle deux compartiments rocheux ont subi un déplacement relatif mesurable (le rejet).
Fracture ouverte en mode I, perpendiculaire à la direction d'extension (σ₃), souvent remplie de minéraux fibreux qui cristallisent pendant son ouverture progressive.
Surface de dissolution sous pression, d'aspect irrégulier en dents de scie, formée perpendiculairement à σ₁ ; marque la perte locale de matière dissoute.
| Faille normale | Faille inverse | Faille décrochante | |
|---|---|---|---|
| Régime | Extension | Compression | Décrochement |
| σ₁ (vertical/horizontal) | Vertical | Horizontal | Horizontal |
| Contrainte verticale | σ₁ | σ₃ | σ₂ |
| Mouvement du toit | Descend | Monte | Horizontal, parallèle à la faille |
| Pendage typique | ≈ 60° | ≈ 30° | Subvertical |
Les trois types de failles (théorie d'Anderson)
- Rupture cassante = propagation et coalescence de microfissures (fentes de Griffith) issues de défauts préexistants.
- Critère de Navier-Coulomb : τ = C₀ + μ·σₙ ; prédit le plan de rupture à partir de σ₁ et σ₃ (cercle de Mohr).
- Failles conjuguées : deux plans à ≈ 30° de σ₁, angle dièdre ≈ 60°, partageant la direction de σ₂.
- Théorie d'Anderson : normale ↔ σ₁ vertical (extension) ; inverse ↔ σ₃ vertical (compression) ; décrochante ↔ σ₂ vertical.
- Joints/fentes de tension : mode I, perpendiculaires à σ₃ ; joints stylolithiques : dissolution sous pression, perpendiculaires à σ₁.
Un grand classique : à partir d'un schéma de failles conjuguées, retrouver les directions de σ₁, σ₂, σ₃, puis nommer le régime tectonique (extension, compression, décrochement) et le type de faille attendu. Sache tracer un cercle de Mohr simple et y placer la droite de Navier-Coulomb. Piège fréquent : inverser fente de tension et joint stylolithique, ou oublier que l'angle de 30° se mesure par rapport à σ₁, non par rapport au plan de faille lui-même.