CHARACTERIZATION AND MODELLING OF FOLDS AND FRACTURES IN THIN-SKINNED TECTONICS AND APPLICATIONS TO ROCK SLOPE DEFORMATIONS (JURA MOUNTAINS, SWITZERLAND AND ALBERTA FOOTHILLS, CANADA)

Details

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Serval ID
serval:BIB_B1F07C610F18
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Title
CHARACTERIZATION AND MODELLING OF FOLDS AND FRACTURES IN THIN-SKINNED TECTONICS AND APPLICATIONS TO ROCK SLOPE DEFORMATIONS (JURA MOUNTAINS, SWITZERLAND AND ALBERTA FOOTHILLS, CANADA)
Author(s)
Humair  Florian
Director(s)
Epard Jean-Luc
Institution details
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Address
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Publication state
Accepted
Issued date
2017
Language
english
Abstract
The understanding of the formation of anticlines in tliin-skinned tectonic context has been a central focus in stiiral geology for more than half a cenury. This topic has been relevant not only for academic interests, but also for industrial and engineering ones since it provides insights that are valuable for their applications in the fïeld of fluids prospection (e.g. oil, gas, water) and natural hazards. Of particular relevance, the links between folding, brirtle structures and rock si ope déformations are commonly brought forward, but have rarely been dearly addressed in the context of the Swiss jura Mountains and the Alberta Foothills. This is the aim of the present PhD thesis. This tliesis is divided in rwo parts; the first part focuses on folding and fracturing investigations while the second part is dedîcated to the links between tectonics and rock slope failures. For this purposc, a multidisciplinary approach diar benefits from the advantages of différent techniques and sources of information has been adoptcd, including classical fîeîd mapping, remote sensing and finite-elements numerical modelling.
The first part of the manuscript demonstrates that the folding style and kinematics of stiff sedimentary layers over a weak detachment is related to the combination of différent parameters. We successfully captured the first-order geometry of the anticlines of the Swiss Jura and the Alberta Foothills. Their formations appear to be controlled by the thickness of the basai detachment, the presence and size of pre-existing geometrical perturbations at the detachment-sediment interface (i.e. paleo-faults; stratigraphie variations), the presence of additional detachments, the rheology and strength contrast between stifïf and weak layers as well as the overburden conditions. In particular the asymmetry of the folded structures is controlled by latéral variations of folding growth rate which are in turn related to the thickness ratio between weak and strong layers. Our results show that the anticlines of the studied belts most likely formed according to a three-stage process, including an incipient folding phase characterized by symmetric low-amplitude buckling. It is followed by near-symmetric detachment-folding amplification in response to the propagation of thrusts. Asymmetric thrust-folding associated to the propagation of a main thrust across the sériés developed in the later stages of shortening. Detailed field analyses highlight the kinematics of the observed fracturing pattern. It shows that, at regional- scale, the main fracturing pattern was formed in response to the anticlines' development (syn-folding). In particular we associated the presence of fractured corridors leading to a dramatic increase of the fracturing intensity with the discontinuous curvature of the anticlines.
The second part of the thesis shows that rock slope déformations are common geological features in the two studied belts, despite that their occurrence is not a-priori highly suspected according to the given geological contexts. At regional-scale, our interprétation shows that their spatial distribution is controlled by the combination of différent variables, including the local relief, the presence of major thrusts, the geometry of the anticlines, the lithological context as well as the erosional processes at the toe of the slopes. At local scale, the tectonic-related structures exert a profound control on the failure mechanisms, the size and the type of the collapses (i.e. DSGSD, rockslide/rock avalanche, roto-translations slides). In particular, the rôle of fold-related fracturing, tectonic-related rock mass quality réduction as well as site-specific variations of différent structures associated to the folding formation has been pointed out in différent case studies. The results of this thesis also demonstrate the influence of pre-existing fold-related fracturing on the run-out processes of a rock avalanche, through its control on fragmentation processes.
In addition this thesis also highlights the potential of advanced remote sensing tools for structural geology applications. In particular, we provide a first step towards automatic geological 3D mapping of inaccessible rock faces by means of 3D point clouds. '
In the lights of its findings and related interprétations, this thesis constitutes an example of how both fields of structural and engineering geology can be combined to advance knowledge usefu) for industry and risk management. Furthermore, it also présents the usefulness of coupling différent methods in order to improve the understanding of mountain belts development.
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La compréhension de la formation des plis dans un contexte tectonique « chin-skin » est un sujet de recherche important en géologie structurale depuis plus d'un demi-siècle. L'intérêt pour ce sujet dépasse les seules préoccupations académiques, mais concerne également certains domaines liées à l'industrie fossile et minière, ainsi qu'à l'ingénierie et l'aménagement du territoire face aux dangers naturels. En effet, la prospection de certaines ressources telles que le pétrole, le gaz et l'eau, mais également l'étude des causes du déclenchement de certaines instabilités rocheuses (c.g. éboulements, chutes de blocs) peuvent être relies à la géométrie, ainsi qu'aux conditions de mise en place des plis. Notamment, l'existence de liens entre leurs structures associées et les mouvements de versants sont régulièrement évoqués.
L'objectif principal de cette thèse a été de démontrer et d'expliquer les relations entre le contexte litho¬tectonique et les phénomènes gravitaires qui se produisent dans deux chaînes de montagnes, pour l'une le Jura suisse et pour l'autre les Foothills de l'Alberra, au Canada. Pour ce faire, ce travail se décline en deux partie, la première étant consacrée à l'étude de la formation des plis et structures associées tandis que la deuxième porte sur le rôle de ces dernières sur le développement de grandes instabilités rocheuses. Cette étude a été menée à différentes échelles en combinant différentes méthodes, telles que les études de terrain, les outils de télédétection et la modélisation numérique. L'avantage d'une telle approche multidisciplinaire est de pouvoir bénéficier de l'apport de différentes sources d'informations complémentaires, ainsi que de proposer des interprétations qui sont physiquement réalistes.
La première partie de cette thèse a notamment permis de mettre en évidence que le style et la cinématique des plis de décollement du Jura et des Foothills sont contrôlés par la combinaison de multiples facteurs. Ces derniers incluent noramment la présence et la géométrie de structures héritées (e.g. paléo-failles, variations stratigraphiques), l'épaisseur des niveaux de décollement, le contraste de compétence entre niveaux compétents et incompétents, la présence de plusieurs niveaux de décollement, ainsi que la profondeur à laquelle les plis se sont formés. En particulier, la géométrie asymétrique de certains anticlinaux est directement influencée par les variations latérales de vitesse d'amplification des plis, qui dépend elle-même de l'épaisseur relative entre sédiments et décollement. Nos résultats suggèrent également que la formation de ces plis s'est déroulée en trois étapes successives : (1 ) développement de plis symétriques de faible amplitude (i.e. low amplitude buckling), (2) amplification des plis en réponse au développement de failles conjuguées qui s'enracinent dans le décollement basai, (3) formation de plis sur rampe fortement asymétriques, lié à la propagation d'une faille majeure. De plus, la caractérisation détaillée de la fracturation à différentes échelles a permis de mettre en évidence l'origine des différentes familles de fractures observées. Nous avons pu démontrer que le principal réseau de fractures est contemporain à la formation des plis et que la fracturation associée au plissement est par ailleurs uniformément répartie à Icchelle régionale.
La seconde partie de ce travail s'est orientée sur l'analyse des causes des mouvements de versant qui affectent les deux chaînes de montagnes étudiées. Même si apriori, la présence de tels phénomènes n'est pas particulièrement suspectée dans ce contexte géologique, notamment à cause de relief modéré caractérisant ces chaînes, un grand nombre de mouvement de versant a été observé. A l'échelle régionale, il a été mis en évidence que la distribution spatiale de ces derniers n'est pas aléatoire, mais au contraire liée à la combinaison de différents facteurs, incluant le relief local, la présence de failles majeures, la géométrie des plis, le contexte lithologique, ainsi que les phénomènes d'érosion. A l'échelle d'événements particuliers, les mécanismes de rupture, la taille, ainsi que le type de mouvements de versant (i.e. DGPV, avalanche rocheuse, écroulement, glissement rotationnel) sont directement liés aux facteurs tectoniques, en particulier, la fracturation syn-plissement, la dégradation du massif rocheux en lien avec la présence de structures cassantes majeures, ainsi que les variations locales de différentes structures d'accommodation des plis. De plus, cette étude a également permis de démontrer le rôle prépondérant de la fracturation syn-plissement sur les processus de propagation d'une avalanche rocheuse, i.e. Frank Slide. En effet, la correspondance statistique entre les distributions granulométriques des blocks observés sur le dépôt avec celles de la zone source, qui ont été simulées à partir de la fracturation, atteste du contrôle des fractures sur la fragmentation et ainsi la propagation de la masse rocheuse durant son transport.
Cette thèse a également mis en évidence le potentiel de méthodes de télédétection avancées pour la géologie structurale. Plus particulièrement, nous avons proposé une méthode basée sur les nuages de points en 3D qui vise, à terme, à rendre possible la cartographie géologique 3D par des méthodes semi-automatique.
A la lumière des résultats et interprétations produits, nous sommes en mesure d'affirmer que cette thèse démontre la nécessité de combiner différents champs de recherches (e.g. géologie structurale et géologie de l'ingénieur) et différentes méthodes (e.g. terrain, télédétection, modélisations numériques) dans le but de faire progresser la gestion des risques naturels et mieux appréhender certains éléments essentiels à la compréhension de la formation des chaînes de montagnes.
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Les chaînes de montagnes telles que nous pouvons les observer aujourd'hui sont le résultat de multiples processus géologiques successifs qui ont interagi au cours du temps. C'est précisément aux mécanismes qui ont conduit à leur création (i.e. processus tectoniques) et au développement de mouvements de versants, tels que les écroulements ou les glissements de terrain (i.e. processus gravitaires) en particulier, que s'intéresse ce travail de doctorat. Son objectif principal est de contribuer à la compréhension de l'influence accordée aux structures tectoniques sur la déstabilisation des pentes rocheuses de deux chaînes de montagnes, pour l'une le Jura suisse, pour l'autre la partie externe des Montagnes Rocheuses appelée les Foothills, situées au sud-ouest du Canada.
Les roches qui composent ces deux chaînes montagneuses, principalement des calcaires mais également des dolornies, des marnes et des argiles, ont. été déposées entre 250 et 10 Ma pour le Jura suisse et entre 410 et 53 Ma pour les Foothills, formant différentes couches stratigraphiques. La formation de ces deux chaînes résulte de la compression de ces couches sous l'effet de contraintes tectoniques. A l'instar d'autres chaînes montagneuses, la particularité du Jura suisse et des Foothills réside dans le fait que ces roches ont été « décollées » de leur soubassement et ont « glissées » sur des niveaux plus tendres (argiles, sel, gypse), dits «niveaux de décollements». Ou assistera au fil du temps à une déformation progressive de ces roches qui vont, notamment, créer des plis accompagnés et relayés par de grandes failles dont les caractéristiques respectives dépendent de plusieurs facteurs que nous allons exposer dans ce travail.
Un des résultats de notre étude a permis, par exemple, de mettre en évidence le fait que la géométrie ainsi que la cinématique des plis/failles formant le Jura suisse et les Foothills sont directement influencées par différents éléments incluant à la fois l'épaisseur et le nombre des niveaux de décollement, le contraste de résistance entre les niveaux peu déformables et les niveaux tendres ou encore la présence d'hétérogénéités (i.e. paléo-failles, variations stratigraphiques) dans le niveau de décollement. De plus, passé un certain stade de résistance, les roches auront également tendance h se fracturer en réponse aux différentes forces qui lui sont appliquées. Notre étude a permis également de mettre en lumière les types de fractures les plus susceptibles de se former lorsque les couches géologiques se plissent. C'est en grande partie ces phénomènes de plissements qui confèrent à la topographie actuelle de ces deux chaînes une allure ondulatoire où les crêtes correspondent à des plis convexes (anticlinaux) et les vallées à des plis concaves (synclinaux). A noter cependant que les paysages ont également été modelés par l'érosion, notamment, provoquée par les glaciers, les rivières et les mouvements de versants. Le développement de ces phénomènes gravitaires trouvent leurs causes dans une multitude de facteurs considérés comme internes (i.e. intrinsèques à un versant de montagne) ou externes (i.e. intrinsèques à l'environnement local). Quant à l'évolution de la stabilité d'une pente, elle est associée à la dégradation progressive des paramètres internes sous l'effet des facteurs externes.
Cette étude a permis également de démontrer que la répartition spatiale des mouvements de versanr dans le Jura stiisse et les Foothills n'est pas aléatoire mais au contraire liée à la combinaison de différents facteurs incluant à la fois la topographie, la forme des plis, le type de roche ou encore l'érosion au pied des versants. De plus, leurs mécanismes de déstabilisation ainsi que leur propension à la rupture sont principalement associés aux types de plis, aux fractures créées durant le plissement, ainsi qu'à la diminution de la résistance de la roche suite à la présence de grandes failles.
La compréhension de la genèse des plis ainsi que des structures tectoniques qui y sont associées est non seulement utile pour appréhender certains types de mouvements de versanrs mais également profitable à l'industrie pétrolière et gazière puisque les plis forment une architecture dans laquelle certaines ressources naturelles se nichent de manière préférentielle. Cette thématique n'a toutefois été que très partiellement approchée durant ce travail.
A la lumière des résultats et interprétations produits, nous sommes en mesure d'affirmer que cette thèse démontre la nécessité de combiner différents champs de recherches (e.g. géologie structurale et géologie de l'ingénieur) et différentes méthodes (e.g. terrain, télédétection, modélisations numériques) dans le but de faire progresser la gestion des risques naturels et mieux appréhender certains éléments essentiels à la compréhension de la formation et de la destruction des chaînes de montagnes.

Keywords
folding, fracturing, rock slope failures, field mapping, remote-sensing, numerical modelling, plissement, fracturation, mouvements de versants, études de terrain, télédétection, modélisation numérique
Create date
10/03/2017 16:23
Last modification date
20/08/2019 16:20
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