Les processus tectoniques actifs à la surface de la terre, à l’échelle de la croûte continentale et lithosphérique sont fondamentalement l’extension qui se marque par un amincissement et la convergence qui est responsable d’un épaississement. L’analyse de l’information cartographique révèle des objets témoignant de ces phénomènes. Ainsi dans les Alpes, l’amincissement crustal se marque par l’extension de la marge continentale européenne et son découpage en blocs basculés, la préservation de cortèges ophiolitiques, dont le massif du Chenaillet et l’accrétion océanique d'âge Mésozoïque. Ce type de terrain peut facilement être extrait et visualisé en sélectionnant les terrains en fonction de leur age et de l’affinité océanique des termes magmatiques définissant ainsi des systèmes géologiques qui témoigne de ce processus majeur d’extension.

L’épaississement crustal se traduit par des failles inverses, la superposition de terrains anciens sur des terrains plus jeunes, un métamorphisme inverse, une évolution métamorphique impliquant des stades d’enfouissement. Les cartes thématiques relatives à l’âge des terrains, à l’orientation, au degré et à l’age du métamorphisme fournissent des clés d’interprétation basiques pour l’analyse de cette période de collision.

Cette analyse permet le dessin de coupes géologiques qui fournissent une première représentation en 3 dimensions. Dans une démarche générale d’imagerie 3D, la carte et les coupes géologiques sont donc des surfaces privilégiées de la modélisation 3D, fournissant les conditions aux limites des modèles. De façon globale, la construction de ces objets en 3D se fait par la caractérisation de leurs limites, orientations, formes et propriétés. Mais, l’imagerie 3D, c’est pourquoi faire ? La géologie décrit des objets par nature tri-dimentionnels. D’autre part, l’extension cartographique de certains objets géologiques implique une dimension d’échelle crustale, d’un simple point de vue géométrique. Enfin, il est clair pour tout géologue qu’une carte peut être lue comme une coupe fournissant une section à travers le temps et l’espace…

Comment définir un modèle géologique 3D ? Plusieurs cas d’études ont été réalisés dans les Alpes afin de bénéficier des dénivelés et des connaissances régionales, notamment dans le Pelvoux. Les structures plicatives de l’avant pays alpin (la région de Laragne-Montéglin), l’interface socle couverture (l’aiguille de Morges) ou l’intrusion de massifs granitiques (le massif de Etages) sont autant d’objets géologiques remarquables qui ont été modélisés en 3D à partir des données cartographiques (lithologies et structures). Ces modèles ont constitué le support des interprétations structurales régionales et ont fait l’objet de publications.

Néanmoins, les structures simples et accessibles étant rares à la surface de la terre, la géologie ne fournit que peu d'informations pour aborder le problème de l'extension en profondeur des structures et des phénomènes géologiques. La question qui se pose alors est comment réduire l’incertitude géologique sur l’extension des unités géologiques et des structures en profondeur. L’intégration des données directes sur la dimension verticale constitue bien sur la première étape de la construction du modèle contraint. Un exemple est présenté résultant du travail d’interprétation du champ de forages disponible dans le secteur de Modane.

L'échantillonnage en profondeur étant exceptionnel et discontinu, seule l'imagerie indirecte fournie par la géophysique est de nature à nous renseigner sur les extensions en profondeur. Cette imagerie viendra en complément de la carte géologique et sera calée sur les propriétés physiques des roches en surface.

Ainsi, l’illustration de ce processus d’épaississement se fait dans les Alpes par l’analyse de différentes imageries géophysiques: (1) les profils sismiques montrent l’existence de réflecteurs d’échelle crustale correspondant à l’enfouissement de la croûte européenne sous l’Apulie, (2) la carte du Moho, déduite des profils sismiques et de la sismologie, indique une transition croûte-manteau à des profondeurs supérieures à 60 km, (3) l’anomalie de Bouguer est fortement négative sur l’ensemble de la chaîne alpine et traduit une épaisseur anormalement élevée de la croûte continentale.

En conclusion, les analyses des données cartographiques et de l’imagerie géophysique fournissent des gammes d’informations qui, à l’échelle régionale et à l’échelle crustale (voire lithosphérique) contraignent la nature des orogènes. C’est de la comparaison entre ces gammes d’informations avec celles disponibles sur les orogènes actifs que l’interprétation peut être menée à son terme. Ainsi, la préservation de sutures océaniques, la cartographie des grandes structures de chevauchement, les profils sismiques et tomographiques à travers l’Himalaya sont autant " d’objets " témoins de processus liés à la résorption d’une aire océanique en prélude d’une collision continentale que l’on peut aujourd’hui observer et mesurer. De la similitude des caractères à l’échelle crustale, on déduit le caractère collisionel passé de l’orogène alpin. C’est aussi en s’appuyant sur de tels modèles que peuvent être évalués les liens entre structures profondes et sismicité actuelle tel que présenté dans le cas du front pennique (Modèle ci dessous)

La reconstruction des structures des chaînes plus anciennes est rendue délicate par la disparition des zones profondes des orogènes lors des phases de désépaississement post collisionelles. En effet, une croûte continentale épaissie est en déséquilibre gravitaire et tendra, généralement, à retrouver une épaisseur moyenne après quelques dizaines de millions d’années. C’est notamment le cas de la chaîne varisque dont le Moho, situé entre 30 et 35km de profondeur, marque la base d’une croûte inférieure caractérisée par un aspect lité, attribué à la granulitisation de la croûte continentale. Ainsi, la comparaison entre les chaînes varisque et alpine est instructives à plusieurs niveaux: (1) les objets marqueurs des processus d’épaississement et amincissement sont identiques, à l’intensité de transformation subie près, (2) les structures marquant les stades d’épaississement majeurs dans les Alpes sont en grande partie oblitérées par l’évolution post-orogénique dans la chaîne varisque, (3) dans la mesure où les objets marqueurs des stades d’évolution tectonique sont suffisamment caractéristiques, leur extension limitée spatialement ne peut pas être considérée comme un élément altérant leur signification.

L’évolution tectonique des Alpes est revue à travers différentes cartes thématiques et complétée par les données de la géophysique acquise dans le cadre des programmes d’acquisition GéoFrance 3D et ECORS. L’apport de la modélisation 3D est illustrée à travers plusieurs cas d’études.

A partir des exemples présentés, la notion de modélisation 3D est définie comme une fonction visant à attribuer à chaque point de l’espace une gamme de propriétés dont la nature lithologique. Les principes de modélisation 3D par surfaces implicites sont ainsi énoncés et seront mis en pratique. L’Editeur Géologique 3D est un outil de modélisation géologique développé par le BRGM et conçu pour être utilisé par des géologues. Une information complète peut être obtenue sur cet outil à l’adresse http://3dweg.brgm.fr/. Les travaux pratiques utiliseront cet outil de modélisation.

Les enjeux de la modélisation sont rappelés : la difficulté de représenter un domaine souterrain à partir de données discontinues, l'extrême diversité et hétérogénéité de la nature et de la répartition des paramètres observés et mesurés, l’accès à des outils d’acquisition, de traitement et de modélisation des données très spécialisés et coûteux, la nécessité de prévoir l’extension des structures et des phénomènes géologiques en profondeur.

Le modèle est calculé rapidement et peut alors être visualisé en carte, coupes et 3D. Il prend en compte les information sur la géométrie de la géologie issues de géophysique, par exemple dans une coupe sismique interprétée. L’interactivité de l’outil permet de modifier facilement l’interprétation géologique en redessinant dans la carte ou les coupes ou bien en modifiant l’histoire géologique dans la pile géologique. Enfin, une première approche de l’incertitude sur la connaissance du sous sol est possible via l’inversion des données géophysiques. L’exploration de l’espace des solutions possibles est réalisé et permet de faire évoluer le modèle géométrique afin qu’il satisfasse les données des champs de potentiel gravimétrique et magnétique.

La démarche générale est présenté dans un poster How 3D implicit geometric modelling helps to understand geology : Experience from BRGM (France), réalisé par P. Calcagno, G. Courrioux, A. Guillen, C. Sue, accessible en lien hypertexte.

L’exemple de la chaîne varisque est pris pour illustrer la construction d’un référentiel géométrique 3D qui rend possible un véritable scanning de la terre par l’utilisation des méthodes de modélisation 3D et d’inversion des données géophysiques. Les principaux résultats sont présentés dans un poster présenté à EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Nice, France, April 2003 (Integrated geophysical and geological modelling: insights in the 3D structure and kinematics of the Hercynian Suture Zone in the Champtoceaux area (Brittany, France)) et détaillés dans un article publié à Tectonophysics (G. Martelet et al. / Tectonophysics 382 (2004) 117–128) accessibles en lien hypertexte.