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FAILLES

Les failles sont des accidents tectoniques, autrement dit des déformations de l’écorce terrestre consécutives à des mouvements de celle-ci. Ces cassures sont responsables de certains de ses aspects les plus marquants, tant dans le domaine des chaînes de montagnes, à la constitution desquelles elles concourent soit seules soit associées aux autres accidents (plis, charriages), que dans celui des aires continentales et océaniques, où elles engendrent principalement des fossés aux dimensions remarquables (rifts). Mais la relation des failles avec les séismes et les volcans suffirait déjà à justifier l’importance qu’on leur accorde.

Les divers types de formes de relief nées de failles peuvent cependant être difficiles à interpréter, surtout lorsque des rejeux tectoniques viennent troubler l’évolution morphologique des escarpements de faille.

1. Caractères généraux

Définitions

Une faille est une cassure dans l’écorce terrestre accompagnée d’un mouvement relatif (jeu) des deux compartiments qu’elle détermine; elle se distingue ainsi des diaclases , qui sont des cassures sans déplacement visible, et des flexures , qui sont de brusques changements de pendage selon une surface déterminée, mais sans rupture. Il arrive souvent qu’une flexure résulte de l’amortissement d’une faille dans les couches sédimentaires par l’intermédiaire du flanc de raccordement (fig. 1), ou encore qu’un accident dont la morphologie générale est celle d’une flexure se révèle dans le détail être constitué de plusieurs petites failles.

La surface de rupture est dite surface de faille ou, souvent, plan de faille , étant donné qu’approximativement elle est plane; il arrive qu’elle soit polie par le mouvement, formant alors un miroir de faille , souvent revêtu d’une pellicule de minéraux cristallisés pendant le mouvement (en général de la calcite dans les terrains sédimentaires), parfois strié selon des directions qui expriment les mouvements relatifs des deux compartiments.

Le rejet exprime l’importance du mouvement relatif des deux compartiments. D’une manière générale, il correspond à un mouvement quelconque que l’on peut ramener à trois composantes (fig. 2):

– une des composantes, verticale, correspond aux mouvements relatifs d’affaissement ou de surélévation des deux compartiments; c’est le rejet vertical;

– les deux autres sont horizontales; l’une, dans le plan de la faille, exprimant le coulissage relatif des deux compartiments, constitue le rejet horizontal latéral; l’autre, perpendiculaire au plan de la faille, exprimant l’écartement ou le rapprochement relatif des deux compartiments, représente le rejet horizontal transversal.

Le regard d’une faille est, dans la direction perpendiculaire au plan de la faille, le sens défini par le compartiment affaissé: il exprime la direction du regard d’un observateur qui, placé au bord de la lèvre surélevée, regarde du côté affaissé. Ainsi, les failles qui limitent les Vosges par rapport à l’Alsace ont un regard est; celles qui limitent la Forêt-Noire par rapport au pays de Bade ont un regard ouest; mais les unes et les autres ont un «regard rhénan», vers la vallée du Rhin affaissée.

Classification

On classe les failles:

– d’une part, en fonction de leur rejet horizontal latéral (fig. 3);

– d’autre part, en fonction de leur rejet horizontal transversal (fig. 4).

Lorsque le rejet horizontal latéral l’emporte, on parle de décrochement (on dit aussi faille transcurrente ayant un mouvement strike-slip , selon une terminologie anglo-saxonne souvent adoptée); il est facile de voir qu’un décrochement correspond à un mouvement relatif des deux compartiments, soit vers la gauche si le décrochement est senestre, soit vers la droite si le décrochement est dextre.

Dans tous les autres cas, on parle simplement de faille , ce qui signifie que, le plus souvent, le rejet vertical l’emporte sur les autres, de sorte qu’il y a nettement un compartiment surélevé et un compartiment affaissé.

Si le rejet horizontal transversal est nul, la faille est dite verticale; s’il correspond à un mouvement d’extension, on dit que la faille est directe (ou normale), et le plan de la faille est incliné vers le compartiment affaissé; s’il exprime une compression, on dit que la faille est inverse, et le plan de faille est alors incliné vers le compartiment surélevé, semblant plonger dessous.

Ces distinctions expriment la nature et l’orientation des contraintes auxquelles furent soumises les roches.

Groupement des failles

Mécanisme des failles

Soit un point, situé dans le sous-sol, auquel s’applique une force d’intensité et d’orientation déterminées; on peut définir un ellipsoïde des contraintes, dont les trois axes, perpendiculaires entre eux, définissent une contrainte maximale ( 靖 ¹), une contrainte minimale ( 靖 ³), une contrainte moyenne ( 靖 ²). Si l’on découpe, par la pensée, un solide supposé isotrope ayant la forme d’un cube dont les six faces soient deux à deux perpendiculaires à chacun des trois axes définis précédemment, quand le seuil de rupture est dépassé, deux plans de cisaillement se définissent (fig. 5), perpendiculaires entre eux et tels que leur intersection corresponde à la direction de la contrainte moyenne ( 靖 ²); la contrainte maximale ( 靖 ¹) et la contrainte minimale ( 靖 ³) se situent dans les plans bissecteurs du dièdre ainsi défini, et le mouvement correspond à un aplatissement selon la contrainte maximale et à un écartement selon la contrainte minimale. Les cas réels sont loin d’être aussi schématiques: les roches ne sont pas isotropes, leur cohésion est variable en fonction des plans de stratification et des diaclases, et le poids des terrains sus-jacents modifie leur comportement.

Les réseaux de failles

Dans le cas le plus général, le système des contraintes ayant une orientation quelconque, les failles ont un rejet à trois composantes et constituent deux familles subperpendiculaires dont les plans non verticaux recoupent la surface topographique selon des intersections faisant entre elles un angle variable (fig. 6). Une région faillée apparaît donc comme une sorte de damier dont les cases sont le plus souvent des parallélogrammes, rarement des carrés, certaines de ces «cases» étant affaissées, d’autres surélevées.

Souvent une famille de failles est beaucoup plus importante que l’autre; l’aspect en damiers est alors masqué et les structures allongées dans le sens des failles principales. Dans ce cas (fig. 7), quand les failles limitent un affaissement, on dit qu’elles dessinent un fossé ou «graben»: les failles qui limitent un fossé regardent vers celui-ci; quand les failles limitent une zone soulevée, on dit qu’elles dessinent un môle ou «horst»: les failles qui limitent un horst regardent de part et d’autre de celui-ci. Mais, dans un cas comme dans l’autre, on trouve toujours des failles secondaires dont la direction complète le réseau.

2. Répartition et importance géologique

Il y a, dans l’espace, des champs de failles et, dans le temps, des périodes de failles.

Les champs de failles des ceintures orogéniques

C’est dans le cas des ceintures orogéniques que la succession des champs de failles dans l’espace et dans le temps est le plus caractéristique; ainsi, pour ce qui concerne l’orogenèse alpine en Europe, on peut distinguer:

– un champ de failles extra-alpin (de l’Europe moyenne) affectant la partie du continent européen ayant échappé à la tectonique alpine proprement dite, témoignant d’une extension générale et s’étant mis en place à l’Oligocène (entre 35 et 25 millions d’années avant l’époque actuelle); c’est un système de failles actuellement mort, auquel correspondent les principaux reliefs de l’Europe moyenne (Massif central, Vosges, Forêt-Noire, Bohême, Harz, etc.);

– un champ de failles intra-alpin (méditerranéen) affectant les régions qui ont participé à la tectonique alpine, et fonctionnel depuis la fin du Miocène (depuis environ 7 millions d’années); à ce champ de failles, actif de nos jours, correspondent les principaux reliefs de l’Europe méditerranéenne, massifs montagneux dans les zones soulevées, plaines intramontagneuses (plaine du Pô, plaines balkaniques) et la Méditerranée elle-même dans les zones affaissées; la géographie actuelle matérialise parfois très bien ce jeu de failles, comme dans la mer Égée, dont le damier est particulièrement net, notamment dans l’archipel des Cyclades, où les cases surélevées correspondent à autant d’îles. Beaucoup de ces failles ont un jeu décrochant prédominant, comme la faille nord-anatolienne, en Asie Mineure.

Mutatis mutandis , il en est ainsi dans les diverses ceintures orogéniques. Ces champs de failles peuvent dépasser considérablement le domaine de la chaîne proprement dite, et donner naissance à des reliefs équivalents à celle-ci. Tel est le cas en Asie centrale (fig. 8), où beaucoup de chaînes (atteignant 6 000 m, tels le Pamir, le Tianshan, etc.) résultent essentiellement de fracturations débordant de beaucoup l’axe des chaînes téthysiennes (Hindu Kuch, Him laya), et en Amérique du Nord et du Sud, où une grande partie des montagnes Rocheuses et de la Cordillère des Andes résulte de la fracturation de leur avant-pays, bien au-delà des limites de la chaîne au sens strict. Sur les confins du Chili et de l’Argentine, à l’est de la cordillère principale, qui correspond à la chaîne proprement dite et culmine à l’Aconcagua (6 959 m), se développe la cordillère frontale et la précordillère, qui atteignent 6 000 m et sont formées de panneaux faillés de l’avant-pays (constitué surtout de terrains précambrien et paléozoïques).

Les champs de failles des aires continentales et océaniques

L’Afrique est le siège, hors de la proximité des chaînes récentes, du plus puissant champ de failles du monde. Ce champ, qui dessine le système des rifts est-africains (cf. AFRIQUE [Structure et milieu] - Géologie), témoigne d’une remarquable extension qui est l’aboutissement moderne de la fracturation du continent du Gondwana, qui comprenait, à la fin du Paléozoïque, l’Amérique du Sud, l’Afrique, Madagascar, l’Inde et l’Australie ^{[cf. GONDWANA]}. Il prépare une ouverture océanique, dont la mer Rouge donne un exemple plus avancé, et la séparation d’une plaque des Somalies du continent africain.

L’océan Atlantique, par son «rift» médian, donne aussi un exemple remarquable par ses dimensions; là encore, il s’agit d’une puissante extension qui est la suite actuelle de celle qui a donné naissance à l’Atlantique à partir du Crétacé. Tous les océans sont d’ailleurs traversés par des rides (ou dorsales) océaniques creusées en leur centre d’un rift en extension décalé par de grands décrochements transversaux (failles transformantes). Cela est la conséquence actuelle de la genèse des océans par distension de la croûte continentale allant jusqu’à la rupture de celle-ci, le fond des océans étant constitué d’une croûte faite de matériaux basiques proches du basalte, dite «croûte océanique», et différant ainsi de la croûte continentale, formée de matériaux acides proches du granite.

L’océan Pacifique a, dans sa partie centrale, les mêmes caractéristiques que l’océan Atlantique. Mais, à sa périphérie, la subduction de la plaque océanique pacifique détermine un système de fosses profondes bordant des cordillères dans le Pacifique oriental et des arcs insulaires dans le Pacifique occidental. Au niveau du golfe de Californie (mer de Cortés), le système du rift est-pacifique entame le bord du continent nord-américain; les grandes failles qu’on y rencontre ont alors signification de failles transformantes en milieu continental, avec un rejet horizontal latéral (strike-slip) prépondérant: la faille de San Andreas, sans doute la plus célèbre du monde, qui traverse San Francisco, a connu des rejets horizontaux latéraux (dextres) de 10 et 7 mètres lors des tremblements de terre de 1857 et 1906.

L’ensemble des champs de failles de la surface du globe se comprend aisément dans le cadre de la tectonique des plaques (ou tectonique globale; cf. TECTONIQUE DES PLAQUES), en fonction des trois phénomènes principaux qui caractérisent celle-ci: ouverture océanique (rifts océaniques, rifts continentaux considérés comme une amorce d’ouverture océanique, failles transformantes), subduction océanique (failles péripacifiques), collision continentale (failles de l’Eurasie).

Liaison des failles avec les séismes et les volcans

Dans toutes les régions envisagées, la liaison des failles avec les séismes et les volcans est évidente.

Ce sont les champs de failles internes des ceintures orogéniques qui sont le plus sismiques comme, en Europe, le champ de failles méditerranéen. Ainsi se dessine la classique répartition des séismes selon la ceinture téthysienne et la ceinture péripacifique. Cependant, la sismicité peut déborder les limites des chaînes et affecter le continent qu’elles bordent: ainsi en est-il en Asie centrale, où les effets de la collision Inde-Eurasie dépassent de beaucoup l’Him laya, et autour du Pacifique, où la subduction océanique, plongeant jusqu’à 700 kilomètres de profondeur sous la marge des continents, développe une zone sismique dont la largeur peut atteindre plusieurs centaines de kilomètres ^{[cf. SUBDUCTION]}. L’activité sismique dans les aires continentales et océaniques est beaucoup moins grande: faible dans l’Est africain, elle n’est que moyenne sur la ride médio-atlantique; hors de ces champs de failles, continents et océans sont pratiquement asismiques.

Le volcanisme est aussi régulièrement lié aux champs de failles, quelle que soit leur situation, dans une zone orogénique ou non. Les ceintures téthysienne et péripacifique, dans un cas, les rifts océaniques et les rifts de l’Afrique orientale, dans l’autre, sont les grandes zones volcaniques du monde.

Le volcanisme actuel se répartit en deux familles: basaltique dans les zones d’extension (volcanisme intraocéanique, essentiel du volcanisme intracontinental), andésitique dans les zones de compression (volcanisme des ceintures orogéniques péripacifique et téthysienne). Il y a longtemps qu’Eduard Suess avait défini une «ligne de l’andésite» séparant le Pacifique central, au volcanisme basaltique, du pourtour du Pacifique, au volcanisme andésitique.

Dans le détail, la répartition des volcans est conforme à la logique des mouvements d’extension: c’est essentiellement sur les horsts, où les fractures sont plus ouvertes, que se situent les volcans, et non point dans les fossés.

Les failles sont donc des accidents d’une grande importance auxquels la croûte terrestre doit un certain nombre de ses aspects les plus remarquables. Le fait est net dans les régions hors des ceintures orogéniques, comme l’Afrique orientale, l’Asie centrale ou les rides océaniques. Mais il l’est non moins dans les ceintures orogéniques, où la complication des structures antérieures ne doit pas masquer le fait essentiel que le relief actuel doit ses traits les plus marquants à des jeux de failles. Par exemple, tenant compte de l’affaissement de la plaine du Pô, où s’accumulent jusqu’à 6 000 mètres de terrains plio-quaternaires, et du soulèvement des Alpes jusqu’à plus de 4 000 mètres, on voit qu’il y a des jeux de failles plio-quaternaires de plusieurs kilomètres de rejet vertical entre celles-ci et celle-là, ce qui explique essentiellement le relief des Alpes. De la même manière, la plupart des chaînes de montagnes doivent leur relief à des failles récentes et non à leurs structures antérieures, si complexes soient-elles: il en va ainsi des chaînes péripacifiques comme des chaînes téthysiennes.

Ces observations remettent à leur place relative les autres structures tectoniques auxquelles, traditionnellement, on prête plus attention.

3. Géomorphologie: les escarpements de faille

Les failles peuvent s’exprimer dans le relief par des formes structurales appelées escarpements de faille, qui se caractérisent par leur commandement, leur regard, leur profil transversal et leur tracé. Le commandement est la distance verticale entre le sommet de l’escarpement et sa base; il ne correspond pas nécessairement au rejet vertical de la faille. Le regard se définit par le sens vers lequel est tourné l’escarpement; il n’est pas toujours identique à celui de la faille. Le profil transversal dérive du plan de faille plus ou moins modifié par l’érosion; il coïncide parfois en partie avec le miroir de faille. Le tracé suit celui de la ligne de faille dans sa direction générale; les sinuosités de détail proviennent de la dissection due aux organismes hydrographiques qui attaquent l’escarpement (fig. 9).

Types d’escarpements de faille

On distingue trois types fondamentaux d’escarpements de faille selon la nature de leurs rapports avec la structure.

L’escarpement de faille originel

Un escarpement de faille originel résulte directement de la dislocation créée par la faille. C’est une forme de relief tectonique dont les caractéristiques différent peu de celles de la faille.

D’une façon générale, le commandement est légèrement inférieur au rejet vertical, en raison d’une faible ablation faite aux dépens du bloc soulevé; mais le regard correspond à celui de la faille (fig. 9). Le profil transversal représente le plan de faille retouché par l’érosion; dans le cas d’une faille normale en roche homogène, sa pente, qui est celle d’équilibre des éboulis de gravité, n’excède pas 30 à 35⁰, alors que l’inclinaison du plan de faille atteint souvent 60⁰ degrés; ce façonnement prend encore plus d’importance dans le cas d’une faille inverse, car le surplomb lié à l’accident s’éboule à mesure de son développement.

L’existence d’escarpements originels implique la jeunesse relative des failles correspondantes, une forte résistance des roches à l’érosion et une certaine impuissance de celle-ci du fait de conditions bioclimatiques défavorables. Aussi se localisent-ils surtout dans les champs de failles liés à l’orogenèse alpine, en roches calcaires et en milieux secs.

Dans cette perspective, il convient d’évoquer le cas exemplaire des champs de failles largement développés en marge des grandes ceintures orogéniques. On y collecte, en effet, de multiples preuves de l’existence de failles actives associées à une intense sismicité. L’un des plus remarquable, à cet égard, concerne la totalité de l’Asie centrale affectée par l’orogenèse himalayenne. Une tectonique de faille spectaculaire, toujours en cours de développement, accompagne l’intense compression exercée par le poinçonnement de la plaque eurasiatique par la plaque indienne. Celle qui marque l’intense surrection du plateau tibétain (Qinghai-Xizang), au cours du Quaternaire, est aujourd’hui mieux connue. De récentes expéditions scientifiques y ont relevé les effets du jeu de failles normales, de direction à peu près méridienne, sur la morphologie quaternaire et les tracés des réseaux hydrographiques, dans toute sa partie méridionale située dans la partie interne de l’arc himalayen. Ainsi, des escarpements de failles frais, découpés en facettes triangulaires, tranchent des vallées et des cônes d’éboulis. Des moraines latérales de vallées glaciaires suspendues témoignent de rejets verticaux de plusieurs centaines de mètres. On cite le cas d’un rejeu de près de 500 mètres en moins de 10 000 ans! Des rejets cumulés de 1 200 à 1 700 mètres correspondent à une fracturation quaternaire qui s’est manifestée au cours de phases successives poursuit actuellement; des ressauts de faille, ou scarplets , intacts de quelques mètres de hauteur, disposés en marches d’escalier, en témoignent. Encore plus significatives sont les ruptures de pente de quelques dizaines de centimètres localisées dans le prolongement des escarpements de faille, ainsi que les déchirures du tapis végétal dues aux derniers séismes (1951-1952).

Les escarpements de ligne de faille

Un escarpement de ligne de faille est une forme structurale dérivée due à l’action de l’érosion différentielle dans une masse rocheuse affectée par une faille. Il en existe plusieurs variantes selon les vicissitudes de leur dégagement.

Lorsque les failles délimitent un fossé subsident comblé par une sédimentation synorogénique qui masque leurs plans, elles ne s’expriment dans le relief qu’à la suite d’un déblaiement des sédiments corrélatifs; celui-ci engendre des escarpements de ligne de faille révélés (fig. 10). Les regards, les profils transversaux et les tracés correspondent à ceux des failles. En revanche, les commandements sont généralement inférieurs aux rejets verticaux du fait du caractère partiel du déblaiement: ceux qui surplombent les Limagnes du Massif central ont seulement quelques centaines de mètres de hauteur, alors que les failles correspondantes ont des rejets qui dépassent 2 000 mètres.

Si l’escarpement de faille, fossilisé à la suite d’une sédimentation post-tectonique, marine, lacustre ou fluviatile, est dégagé postérieurement par l’érosion, on a affaire à un escarpement de ligne de faille exhumé . Ses caractéristiques résultent de celles de l’escarpement fossilisé et des éventuelles modifications infligées par l’érosion différentielle: le fossé de Sault-Vaucluse est limité par de tels escarpements de calcaires durs du Crétacé inférieur, à la suite du déblaiement partiel de calcaires lacustres tendres qui les ont totalement fossilisés au Sannoisien.

Enfin, l’abrupt créé par une faille peut être nivelé par une surface d’aplanissement. Une reprise d’érosion dégagera à nouveau le plan de faille si les roches au contact offrent une résistance au creusement différente. Le regard de l’escarpement dépend alors de la position relative des roches juxtaposées par l’accident et le commandement de l’ampleur du creusement différentiel; les contrastes de dureté déterminent la rigidité du profil transversal et la régularité du tracé. Quand les roches les plus vulnérables se situent du côté du compartiment affaissé, la reprise d’érosion développe un escarpement de ligne de faille rajeuni . Si la situation est contraire, on obtient un escarpement de ligne de faille inversé (fig. 11), au regard effectivement dirigé en sens inverse de celui de la faille. Dans les deux cas, le commandement ne dépend pas de la valeur du rejet vertical, mais de la profondeur du creusement: s’il lui est inférieur, l’escarpement est dit atténué; il est exagéré dans le cas contraire.

Inversés ou rajeunis, ces escarpements de ligne de faille caractérisent les plates-formes nivelées à différentes époques par des surfaces d’aplanissement. Lorsqu’elles sont cristallines, les oppositions de dureté des roches en contact par failles restent parfois insuffisantes pour s’exprimer lors d’une reprise d’érosion, mais leur broyage le long du plan de faille crée souvent une zone de faiblesse capable de localiser les écoulements. Ainsi se développent les vallées de ligne de faille aux tracés orthogonaux, typiques des boucliers fragmentés en damiers par des fractures.

Les escarpements de faille composites

Un escarpement de faille composite associe une portion originelle liée à la tectonique à une portion due à l’érosion différentielle. Diverses combinaisons sont possibles:

– un escarpement de faille originel peut se trouver exagéré par le creusement de roches tendres affleurant à sa base, ce qui lui ajoute un escarpement de ligne de faille; s’il s’agit de l’exhumation d’une partie de l’abrupt primitif antérieurement fossilisée, l’accroissement concerne un escarpement de ligne de faille exhumé;

– un rejeu tectonique de la faille initiale engendre également un escarpement composite; quand le déplacement des blocs s’effectue dans le même sens, il apparaît un ressaut de faille (scarplet ) à la base de l’abrupt; s’il change de sens, un ressaut inverse se développe, qui définit un petit fossé.

Évolution morphologique des escarpements de faille

Tous ces types d’escarpements de faille peuvent se succéder dans le temps selon les vicissitudes d’une évolution morphologique plus ou moins complexe.

Un cas simple est celui d’un escarpement originel soumis à une érosion continue. Il présente d’abord une dissection caractéristique en facettes déterminées par les ravins aux versants raides qui l’attaquent (fig. 9). Sous l’action de combinaisons de processus morphogéniques, plus ou moins agressives selon les milieux bioclimatiques, l’abrupt s’abaisse et sa pente s’atténue. Quand cette action se prolonge pendant une période suffisamment longue, il finit par être nivelé. Un rajeunissement de l’érosion pourra alors dégager un escarpement de ligne de faille.

Mais bien souvent l’évolution morphologique des escarpements de faille est plus complexe en raison de discontinuités multiples. Ces perturbations, dues à des fossilisations suivies d’exhumations et à des rejeux tectoniques, créent des situations dont l’analyse est souvent délicate. C’est le cas, en particulier, des escarpements liés à des failles anciennes et de grande ampleur.