Structural interpretation and mechanical equilibrium : the Limit Analysis applied to fold-and-thrust belts. The Jura case.
Interprétation structurale et équilibre mécanique : La calcul à la rupture appliqué aux chaînes d'avant-pays. Cas du Jura.
Résumé
Fold-and-thrust-belts form in a compressive geological context and represent the external part of orogens.They are composed of numerous folds and thrusts generally rooted in a shallow décollement level located in the basal part of the sedimentary cover.These belts have been studied extensively during the XX century. They have been modeled kinematically, analogically and mechanically.The mechanical aspect of deformation must be taken into account in structural geology, but yet, mechanical models remain underused by the structural geologist.The objective of this thesis is to show how to bring mechanical constraints to the study of geological structures with a mechanical theory easily usable in structural geology, the Limit Analysis.This theory represents a good compromise between the kinematic models and the finite element mechanical models, very complete but relatively complicated to use.We study here examples from the Jura fold-and-thrust belt and use the softwares Optum G2 and SLAMTec.We proceed with two different approaches.The first one is presented in the first part of this manuscript and consists in studying the past deformation.We focus on Saint-Ursanne area, in the North-East Switzerland Jura.We construct first a 2D geological cross section of the Mont Terri structure and then we extend this work in 3D by a series of cross sections that scan the whole Saint Ursanne area.These cross-sections are drawn using kinematical rules, mechanical modeling with Limit Analysis and analog sandbox modeling.We show the importance of the tectonic inheritance on the onset of structures in the studied region and we mechanically model the influence of a décollement offset due to an inherited normal fault during a subsequent compressive episode.We show that this offset represents a “fault generator” and a catching point that slows the propagation of the deformation front and furthermore controls the orientation of the structure that develops.We also show that the topography plays a major role in the establishment of geological structures.In the second part of the manuscript we follow a second approach that consists in studying the current deformation.We change of scale and study the current tectonics of the entire Jura.Our models predict that this belt, formed in thin-skin tectonics, is currently partially affected by thick-skin tectonics.The western Jura would be still affected by a thin-skin tectonics, but the basement should be involved in the deformation in the north-east Jura.However, we show that a thick-skin tectonics does not preclude the simultaneous activation of the shallower décollements contained by the sedimentary cover (Triassic evaporites, in the Jura).Practical interest of these methods is illustrated by industrial questions: the last chapter presents a study of geological cross-sections from a studied area of Nagra in the eastern Jura.We look at the current mechanical answer under compression of the proposed structural interpretations.The numerical tools used in this work have been the subject of a tutorial made during a mission at Total company.
Les chaînes plissées d'avant-pays sont des objets géologiques qui se forment dans un contexte compressif et représentent la partie externe des orogènes.Elles sont composées de nombreuses structures plissées associées à des chevauchements généralement enracinés au sein d'un niveau de décollement peu profond situé dans la partie basale de la couverture sédimentaire. Ces objets géologiques ont été beaucoup étudiés au XXème siècle.Ils ont été modélisés cinématiquement, analogiquement et mécaniquement.S’il est indispensable de tenir compte de l’aspect mécanique en géologie structurale, les modèles mécaniques restent cependant trop peu utilisés par le géologue structuraliste.L'objectif de cette thèse est de montrer comment apporter des contraintes mécaniques à l'étude des structures géologiques, grâce à une théorie mécanique facilement utilisable en géologie structurale.Cette théorie, le calcul à la rupture (Limit Analysis), représente en effet un bon intermédiaire entre les modèles cinématiques et les modèles mécaniques en éléments finis, très complets mais relativement complexes d'utilisation.Nous étudions ici des exemples appartenant à la chaîne plissée d’avant-pays du Jura et utilisons les logiciels Optum G2 et SLAMTec.Nous procédons alors selon deux approches. La première approche, présentée en première partie de ce manuscrit consiste à étudier la déformation passée.Nous nous focalisons sur la région de Saint-Ursanne dans le Nord-Est du Jura, en Suisse et réalisons dans un premier temps une coupe géologique d'une structure que nous étendons ensuite en 3D via une série de coupes balayant l'ensemble de la zone d'étude.Pour réaliser ces coupes nous utilisons à la fois des principes d’équilibrage cinématique, des modélisations mécaniques par calcul à la rupture et des modélisations analogiques en boîte à sable.Nous montrons ainsi l’importance de l’héritage tectonique sur la mise en place des structures de cette région et modélisons mécaniquement l’influence d’un décalage du niveau de décollement par une faille normale héritée, lors d’un épisode compressif ultérieur.Nous montrons alors que ce décalage représente un générateur de failles ainsi qu’un point d’accroche qui ralenti la propagation du front de déformation, contrôlant par ailleurs la direction de la structure qui se développera.Nous montrons également que la topographie joue un rôle majeur dans la mise en place des structures géologiques.Dans la deuxième partie du manuscrit nous abordons une seconde approche qui consiste à étudier la déformation actuelle.Nous changeons cette fois-ci d’échelle pour nous intéresser à la tectonique actuelle de l’ensemble du Jura.Nos modélisations prédisent que cette chaîne plissée, formée par une tectonique de couverture, est aujourd’hui partiellement affectée par une tectonique de socle.Alors que la partie ouest du Jura serait toujours affectée par une tectonique de couverture, le socle devrait aujourd’hui être impliqué dans la déformation au niveau de la partie nord-est.Nous montrons cependant qu’une tectonique de socle n’empêche pas l’activation simultanée des niveaux de décollements situés dans la couverture (les évaporites triasiques, dans le cas du Jura).L’intérêt pratique de ces méthodes est illustré par des questions industrielles : le dernier chapitre présente une étude des coupes géologiques d’un terrain d’étude de la Nagra, situé dans l’est du Jura.Nous regardons la réponse mécanique actuelle en compression de l’interprétation structurale proposée.Les outils numériques utilisés dans l’ensemble de ce travail ont, par ailleurs, fait l’objet d’un tutoriel réalisé dans le cadre d’une mission au sein de l’entreprise Total.
Origine : Version validée par le jury (STAR)