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Géologie – TP G3-4. La carte géologique

TP G3-4. La carte geologique

But du TP : se familiariser avec l'étude des cartes géologiques et notamment la réalisation de coupes géologiques. Ce TP sera découpé en deux séances.

I. Bases de l'etude des cartes geologiques

1. Qu'est-ce qu'une carte geologique ?

Une carte géologique est une représentation en deux dimensions d'une région, qui donne des informationssur la nature des roches du sous-sol (les roches directement situées sous la couche la plus superficielle (lesol), altérée et éventuellement remaniée par l'homme), sur leur âge et sur leur structure (déformations,agencement des roches les unes par rapport aux autres). Elle représente l’intersection d’un agencement atrois dimensions avec la surface topographique.

Les données sont issues de différents relevés : relevés et observations de terrain, forage, donnéestopographiques, photos aériennes...

a) Données stratigraphiques

La stratigraphie est l'étude des roches sédimentaires et de leur agencement dans l'espace. Les rochessédimentaires étant courantes en France métropolitaine, cette étude est particulièrement utile et intéressantesur le territoire national.

Age des terrains :L'âge des terrains sédimentaires est rarement donné de façon absolue. Il est basée sur l'echellechronostratigraphique, établie a une époque (XIXe siècle) où on n'avait pas la moindre idée de l'âge absoludes roches. Cette échelle est basée sur la biostratigraphie (voir ch. G1). Un code couleur, international, ainsique des lettre (latines pour les roches sédimentaires) facilitent la lecture.

Nature des terrains :La nature des terrains sédimentaires est parfois donnée sur la carte directement, mais toujours précisée en annexe dans un document souvent copieux mais indispensable : la notice. La notice précise l'ensemble des données déduites de l'observation sur le terrain et surtout de l'analyse en laboratoire (taille des éléments, nature minéralogique et chimique, nature des fossiles...).

Limite entre stratesLes limites entre strates, ou contours, sont clairement identifiables par le changement de couleur et un fin trait noir.

b) Magmatisme et métamorphisme

Les roches magmatiques (plutoniques ou volcaniques) sont identifiées par un code couleur (en général tons rouges-orangés pour le plutonisme, gris-violets pour le volcanisme). Il y a toujours des lettres aussi, comme pour les roches sédimentaires. Ce sont toujours des lettre grecques.

c) Données structurales

Aux donnée pétrologiques s'ajoutent des donnees structurales, qui renseignent sur l'agencement tridimensionnel des roches les unes par rapport aux autres. Elles sont fondamentales, et doivent être bien maîtrisées.

1 BCPST1 – Lycée Châtelet – Douai – Joseph NICOLAS


i. Failles

Une faille est une discontinuité correspondant au décalage d'un compartiment par rapport a un autre. Elle estmatérialisée sur la carte par un trait noir plus épais que les contours. Elle s'observe par un décalage (rejet)entre les deux compartiments. On distingue deux types (direction) et quatre sous-types (sens) de failles : lesfailles a rejet horizontal (dextres ou sénestres) et a rejet vertical (normales ou inverses). Voir document 1 et 2pour une illustration.

Document 1: Faille normale (gauche) et inverse (droite). Les mouvements sont opposés (flèches), ainsi que les pendages, mais l'expression à la surface est rigoureusement identique. Il est donc capital d'apprendre à déterminer lependage de la faille, qui permet de la caractériser. Les roches sont numérotées du plus vieux (1) au plus jeune (4).

Document 2 : représentation cartographique de failles. De gauche à droite : faille inverse (2 monte sur 1) ; faille normale (2 s'effondre par rapport à 1) ; décrochement sénestre ; décrochement dextre.

ii. Pendages

Le pendage est un couple de deux angles :– L'orientation d'un plan (strate ou faille) par rapport au Nord (c'est a dire l'angle entre l'axe S-N et

une droite horizontale perpendiculaire a la ligne de plus grande pente) dans le sens horaire. C'est une valeur entre 0° et 180°.

– L'inclinaison du plan par rapport a l'horizontale. Cette valeur est un angle la plupart du temps entre 0° et 90°. Parfois, des couches sont tellement plissées qu'elles sont inversées, auquel cas l'inclinaisonpeut prendre une valeur supérieure a 90°. Afin d'éviter toute ambigüité, il faut également préciser la direction de l'inclinaison (tout plan coupe l'espace en deux demi-espaces, dont l'un contient un point cardinal, et l'autre le point cardinal opposé).

Le pendage ne doit pas être confondu avec la pente, qui est l'inclinaison de la topographie par rapport a l'horizontale. Le pendage d'une strate est souvent indiqué par un figuré. Le pendage des failles n'est cependant jamais indiqué (a de rares exceptions près). On peut estimer le pendage des failles ou des strates



par la technique du V dans les vallées ou par le recoupement avec les données cartographiques.

Le pendage est donné par un figuré conventionnel en forme de « T ».– la barre horizontale du « T » donne la direction du plan– la barre verticale du « T » donne la valeur de l'inclinaison. Elle est d'autant plus longue que le

pendage est faible.

Document 3: Quelques figurés pour des valeurs de pendage particulières. Source : ENS de Lyon

Application : représentez les figurés de pendage correspondant a :a. N30, 80Sb. N170, 20Nc. N90, 110S

iii. Discordances

Une discordance est un contact normald'une roche sédimentaire sur une surfaced'érosion. Elle met en contact une rocheancienne, souvent faillée ou plissée, et uneroche récente, de structure moins déformée.Une discordance est toujours associée a unelacune plus ou moins importante, c'est-a-dire l'absence de dépôts sédimentairespendan t une longue pé r iode . Lesd i s c o r d a n c e s o n t d e s é l é m e n t sfondamentaux de la compréhension d'unehis to i re géologique . e l les doiventimpérativement être reconnues.Autreexemple de discordance : document 7.

2. Construire une coupe : mode d'emploi

La carte géologique est un outil essentiel de la compréhension de la structure interne du sous-sol. Pourautant, elle reste un document en deux dimensions. La construction d'une coupe géologique est doncimportante, mais difficile. Certains principes permettront de réaliser des coupes tout a fait correctes.

a) Pour commencer : où suis-je ? quelle est la topographie ? quelle est la structure ?

La connaissance de l'histoire géologique de la France permet d'avoir un a priori souvent pertinent desstructures que l'on est susceptible de rencontrer. Il faut donc systématiquement tenter de replacer la région


Document 4: La couche 9 a une structure tabulaire, et repose endiscordance sur les couches plus anciennes et plissées. D'après le

Dictionnaire de Géologie, Raoult et Foucault, 2005.


dans un contexte global.

La question du relief est essentielle : le relief, c'est-a-dire la topographie, est souvent en lien avec lesstructures. Il peut donc renseigner sur le type de structure (une zone très montagneuse sera quasimenttoujours plissée ou faillée).

La structure des terrains est leur disposition géométrique les uns par rapport aux autres, et les éventuellesdéformations qu'ils ont pu subir. Les structures les plus simples et les plus courantes sont les structurestabulaires, monoclinales et plissées.

i. La structure tabulaire

Une structure est dite tabulaire lorsque l'ensemble des couches sédimentaires sont déposée horizontalement(ou a pendage négligeable). Lorsque le relief et nul (topographie plane), la carte géologique ne laisse doncapparaître, en theorie, qu'une seule couche. Dans la pratique, une topographie parfaitement plane estrarissime, et même une plaine est entaillée par de petites vallées. Tous les points d'une même strate étantsitués a la même altitude, les contours géologiques suivent dont les lignes de niveau (isohypses). L'aspectd'une région tabulaire est alors celui de feuilles de chêne, les contours étant irréguliers a l'image de latopographie.

Les régions tabulaires sont typiques des bassins sédimentaires peu ou pas déformés, comme le bassinparisien ou le bassin aquitain.

ii. La structure monoclinale

La structure monoclinale ressemble beaucoup a la structure tabulaire. Les couches sédimentaires ont alors unpendage constant et différent de zéro. L'aspect cartographique se rapproche largement de la structure tabulaire pour les pendages faibles, mais les contours prennent un aspect de plus en plus indépendant de la topographie si le pendage est fort (proche de 90°C). Localement, des roches ayant une structure monoclinale sont souvent des roches plissées a grande échelle.Une façon intéressante d'évaluer rapidement le pendage est la technique du « V » dans les vallées, présentée dans le document 5.

Document 5: Technique du « V » dans les vallées pour estimer le pendage d'une faille. On représente sur le bloc diagramme (gauche) une vallée, qui va de gauche à droite, et 3 failles, de pendages différents. On a représenté l'intersection entre les failles de la topographie. A droite, représentation cartographique : on voit qu'une faille à pendage vers l'amont dessine un V qui pointe vers l'amont ; qu'une faille à pendage vertical apparaît non perturbéepar la vallée ; qu'une faille à pendage vers l'aval dessine un V vers l'aval. Production personnelle.



iii. La structure plissée

Les structures plissées comportement, comme leur nom l'indique, des plis. On reconnaît une structure plisséeau fait que les pendages varient au sein d'une même couche selon l'endroit où l'on se trouve (axe ou flanc du pli). La plupart du temps, notamment si le relief est faible et que les plis sont relativement symétriques, on observe que les contours s’organisent de façon symétrique par rapport a l’axe des plis, avec le plus jeune au centre pour les synclinaux (concaves), et le plus vieux au centre pour les anticlinaux (document 6).

Afin de réaliser une coupe correcte, il faudra veiller a évaluer au mieux les pendages (voir section suivante).

Document 6: Haut : carte géologique hypothétique montrantplusieurs pli, avec terminaisons périclinales variées. Bas :

interprétation sur la coupe géologique (réalisée selon le tracérepéré sur la carte). Source : blog de Bruno Anselme, BCPST2

Fénelon – Paris.

Les terminaisons périclinales : dans de nombreux cas, les plis ne sont pas symétriques, en raisons des contraintes anisotropes qui ont été a l'origine de leur formation entre autres. Notamment, la géométrie du fond du pli est très variable. L'intersection d'un pli avec une surface horizontale est appelée terminaison périclinale. Elle a la même forme que l'intersection du même pli avec une surface verticale (la coupe géologique a dresser). La construction d'une géométrie correcte est donc possible par étude convenable de la terminaison périclinale.



Document 7: Une carte d'une région hypothétique, et une coupe géologique interprétative associée sont représentées. On notera : a. La nature des plis est déterminée par l'âge de la roche au centre (la plus jeune pour un synclinal, la plusâgée pour un anticlinal. b. le synclinal de droite montre (cartographie) des couches apparemment plus épaisses a droite qu'a gauche. C'est un argument pour la structure dissimétrique. c. Les couches 7, 8 et 9 recoupent les structuressous-jacentes. Il s'agit donc d'une discordance. Ce recoupement est représenté dans la coupe. Noter le figuré de la discordance : la base de la couche 7 est ondulée (figuré conventionnel d'une surface d'érosion). Source : production personnelle.

b) Déterminer les pendages et l'épaisseur des strates

Déterminer les pendages réels peut être très utile dans le cas où la carte ne donne que peu de valeur de pendage, ce qui est malheureusement courant (notamment sur les cartes anciennes).

Il existe deux méthodes facilement utilisables, selon les informations dont on dispose :– Calcul basé sur l'épaisseur réelle d'une strate, si elle est connue (notice de la carte). Voir document 8.– Calcul basé sur l'intersection entre le toit (haut) ou le mur (bas) d'une strate et une isohypse. Voir

document 9.

Document 8 : Calcul du pendage à partir del'épaisseur d'une couche. On note eA l'épaisseurapparente (mesurée sur la carte), eR l'épaisseur réelle,et α le pendage. On montre aisément que

sin α=eR

eA

. Si on connaît l'épaisseur (information

parfois trouvée dans les notices), on peut en déduirele pendage. Si le pendage est connu, on peut endéduire l'épaisseur des couches.

Source : production personnelle.



Document 9: Calcul du pendaged'une strate (ou d'une faille) à l'aidedes isohypses. Les isohypses (courbesde niveau) sont identifiées par leuraltitude (en m). On cherche àdéterminer le pendage d'un plan P(faille ou limite de strate), dont letracé sinueux recoupe les isohypses.On définit pour cela deux point (A etB) situés à l'intersection de P et d'uneisohypse donnée (ici, on choisitl'isohypse 600 m). (AB) est donc l'orientation du plan. On définit un3e point (C) situé sur sur l'intersection entre P et une 2e isohypse (ici, l'isohypse 300 m). On définit le point H, qui est le projeté orthogonal de C sur la droite (AB). (HC) est donc la ligne de plus grande pente du plan. L'angle entre (HC) et l'horizontale est donc l'angle α que l'on cherche. On a représenté à droite une coupe de la situation de gauche selon le transect HC. On définit H' comme le projeté orthogonal de H sur le plan horizontal passant par C. On connaît HH' (c'est l'altitude qui sépare les deux isohypses choisies, ici 300 m) ; on connaît H'C (la mesure sur la carte HC est en fait

la mesure du projeté orthogonal de HC sur l'horizontale). On peut en déduire tanα= HH 'H ' C

, donc α. Source :

production personnelle.

c) Chercher les discordances

Les discordances peuvent être difficiles a trouver, mais quelques éléments cartographiques sont très utiles :– Les points triples. Une strate récente reposant en discordance sur un ensemble ancien a toutes les

chances de se déposer sur plusieurs couches d'âge différent. Ses contours sont alors secants avec lescontours des couches plus anciennes. Attention : ne pas confondre les contours et le contactsanormaux (tectoniques).

– Les differences flagrantes de structures. Une zone structure tabulaire récente côtoyant une zone astructure plissée ancienne plaide très fortement pour une discordance a l’interface entre les deuxzones

– L'existance de lacunes. L'analyse des âges des terrains est indispensable ; si elle révèle l'absence dedépôt sur une durée de plusieurs dizaines de millions d'années, il est courant qu'on ait affaire a unediscordance.

d) Réalisation de la coupe

La coupe géologique a proprement parler peut se réaliser a main levée, c'est-a-dire sans tenir compte del'épaisseur réelle des terrains, et en négligeant la topographie. C'est un exercice qui s'apparente au croquis.Une coupe à main levee doit toujours être realisee au brouillon avant toute coupe precise.

La coupe précise est un travail minutieux, qui se fait sur papier millimétré. Elle se réalise en général a lamême échelle que la carte ; l'échelle verticale pourra être exagérée dans les cas d'une topographie très plane.On fournira, si nécessaire, un profil topographique, sur lequel sera construite la coupe. Il faudra veiller :

– a l'épaisseur des couches représentées, qui est constante (sauf argument sérieux suggérant lecontraire)

– aux valeurs de pendages des strates et/ou des failles, calculées ou estimées– aux figurés utilisés pour les différents types de roches– a ne pas se perdre dans les détails. Notamment, les formations superficielles (alluvions

quaternaires) sont en general très fines à l'echelle de la region, et ne seront pas representees.



Les figurés :

Des figurés conventionnels sont utilisés. Se tromper de figuré, même en légendant convenablement, estconsidéré comme une erreur. Les figurés doivent suivre les structures. Notamment, la forme des figurés doitêtre affectée par les plis, de façon a donner l'idée du mouvement qui a conduit a ce pli.

Document 10: Droite : figurésconventionnels. Tous ces figurés peuventêtre combinés (calcaire dolomitique,argile gypseuse, calcaire sableux) defaçon à permettre une identification aupremier coup d'œil tout en créant unediversité de figurés. Gauche : exemplesde variations à partir du figuré ducalcaire. Production personnelle.

Par où commencer ?

a. On analyse la topographie, la structure globale, la localisation de façon a avoir une idée de l'agencementdes roches dans le sous-sol.b. On recherche la présence éventuelle de discordances. Si on en trouve, il faudra veiller a commencer ledessin par les structures récentes, et a terminer par les structures les plus anciennes.c. On réalise une coupe a main levée ou un croquis de la coupe finale.d. On réalise le repérage, en plaçant sur le profil topographique la position des contours.e. On commence a ajouter des données structurales concrètes (pendage des terrains notamment), mais aussides pense bête (où sont les anticlinaux, les synclinaux) au crayons gris.f. On complète la coupe en profondeur en reliant les contours entre eux, en vérifiant toujours que l'épaisseurest constante.g. On complète enfin les figurés, la légende, le titre, l'échelle verticale et horizontale.

II. Etude de la carte de la France au 1/1 000 000e

La carte géologique de la France au 1/1 000 000e est le document cartographique géologique synthétique leplus a jour (2003). Elle permet de donner un aperçu des grandes structures géologiques françaises, maiségalement des pays voisins, puisqu'elle déborde largement au dela des frontières de l'hexagone.

La France, malgré une extension faible (0,13 % de la surface terrestre) a une grande diversité de roches etstructures géologiques, qui sont visibles sur la carte. Pour autant, certaines régions présentent des similitudes.Nous allons passer en revue quelques unes des grandes régions géologiques françaises ;

– Bassin de Paris, d'Aquitaine, du Sud-Est : justifiez l'appellation de bassin.– Alpes et les Pyrénées : montrez a partir de la carte que ces structures impliquent des

chevauchements de terrains.– Massif armoricain : justifiez que, malgré sa faible altitude (400 m), il soit considéré comme un

massif.– Fossé rhénan, Limagne et Forez : justifiez l'altitude faible de ces plaines par rapport aux monts

environnants.– Massif central méridional et oriental : montrez que du volcanisme s'est produit tardivement dans



l'histoire du massif.

III. Etude de la carte de L'Isle-Adam au 1/50 000e

1. Determiner la structure de la region

L'Isle-Adam est une commune du Val-d'Oise (95), dans le Nord de la région parisienne.• A l'aide de la connaissance que vous avez acquise de la géologie de la France au 1/1 000 000e,

proposez une hypothèse vraisemblable pour la structure de cette région.• Confirmez cette structure a l’aide de la carte au 1/50 000e

2. Construire la coupe

Construisez la coupe selon le profil fourni. On rappelle qu’on ne commence jamais une coupe sans une analyse préalable complète de la carte (voir p. 8).

IV. Etude de la carte de Lavelanet au 1/50 000e

Lavelanet est situé dans le département de l'Ariège (08), en région Midi-Pyrénées. On y trouve d’excellents fromages de brebis.

1. Determiner le pendage d'une strate

Utilisez les isohypses pour déterminer le pendage de la limite entre e2bM et e3a1 a proximité de Ste-Colombe-sur-l'Hers. Déduisez-en son épaisseur moyenne. Utilisez la méthode donnée dans le document 9.


Vous allez réaliser une coupe de la carte selon le tracé demandé. Vous procèderez comme pour la carte de l'Isle-Adam. Il y a cependant un degré de difficulté supérieur sur la carte de Lavelanet. N'hésitez pas a faire des essais et a recommencer, ni a demander de l’aide.Vous veillerez notamment a vous poser les bonnes questions quant au pendage des failles.

V. Etude de la carte de Falaise au 1/50 000e

Falaise se situe dans le département du Calvados (19), en région Basse-Normandie.

1. Analyse de l'histoire de la region

Identifiez deux discordances sur cette carte. Vous vous poserez la questions de la structure des trois ensembles séparés par ces discordances, et vous réalisez un croquis permettant de proposer une géométrie de ces trois ensembles.


Construisez la coupe selon le profil fourni.



Annexe : revisions d'ecole primaire, à savoir par cœur !

Document 11: Les principaux massifs et bassins de France métropolitaine et proches des frontières. Production personnelle.

Document 12: Principaux cours d'eau et principales villes de France métropolitaine. Production personnelle.


Documents

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