Utiliser une boussole de géologue

Mesurer l’orientation des plans et des lignes sur le terrain

La boussole de géologue est un instrument de mesure indispensable sur le terrain. Elle ne sert pas seulement à se repérer dans l’espace : elle permet surtout de quantifier l’orientation des structures géologiques observées sur un affleurement. Grâce à elle, on peut mesurer l’attitude d’un banc sédimentaire, d’une schistosité, d’une faille, d’une diaclase, d’une linéation, d’un axe de pli ou encore d’une strie de faille. Ces mesures sont ensuite utilisées pour cartographier les structures, réaliser des coupes, comprendre les déformations tectoniques et reconstituer l’histoire géologique d’une région.

Pour bien utiliser une boussole de géologue, il faut d’abord distinguer deux grands cas. Le premier concerne les plans : couches, failles, schistosités, joints. Le second concerne les lignes : axes de pli, linéations, stries, intersections entre deux plans. Dans les deux cas, on cherche à exprimer une orientation dans l’espace, mais les paramètres mesurés ne sont pas exactement les mêmes.

Sur l'usage du mot "attitude"

En géologie structurale, l’attitude d’une couche désigne simplement son orientation dans l’espace. Pour une couche assimilée à un plan, cette attitude est décrite par deux paramètres : l’azimut de sa ligne horizontale et son pendage. Autrement dit, l’attitude répond à la question : "comment ce plan est-il orienté et incliné dans l’espace ?"

Dans un sens un peu plus large, le mot attitude ne s’applique pas seulement aux couches. En géologie structurale, on parle aussi de l’attitude d’une surface ou d’une ligne. Pour une surface, on la décrit par azimut et pendage ; pour une ligne, par azimut et plongement. En tectonique, on utilise ce mot au sens de position/orientation géométrique dans l’espace.

Pourquoi ce terme ? Parce que le mot attitude signifie, en français général, la manière d’être placé, la position ou la façon de se tenir. Le passage au vocabulaire géologique est donc assez naturel : une couche possède une certaine “attitude” au sens où elle a une certaine disposition spatiale. C’est le même glissement de sens que lorsqu’on parle de l’attitude d’un avion ou d’un corps dans l’espace.

Pour l’étymologie, attitude est donné par le CNRTL comme un emprunt à l’italien *attitudine*, lui-même rattaché au bas latin *aptitudo, -inis*, au sens d’« aptitude ». Le mot a ensuite pris en français le sens de position ou manière de se tenir, d’où son emploi technique en géologie pour décrire la position d’un plan ou d’une ligne dans l’espace.

L’attitude d’une couche géologique, c’est son orientation dans l’espace : azimut de la ligne horizontale + pendage.

L’attitude d’une couche décrit comment elle “se tient” dans l’espace.

Petite nuance utile : certains auteurs emploient parfois “attitude” presque comme synonyme de pendage, mais ce n’est pas le sens le plus rigoureux. Le sens complet est bien l’ensemble des paramètres d’orientation, pas seulement l’inclinaison.

1. Azimut : la notion de base

L’azimut est l’angle horizontal mesuré à partir du nord, dans le sens des aiguilles d’une montre. Un azimut de 0° correspond au nord, 90° à l’est, 180° au sud et 270° à l’ouest. C’est donc une façon simple et rigoureuse de décrire une orientation horizontale.

Lorsque l’on mesure une ligne horizontale sur le terrain, on lui associe un azimut. Lorsque l’on mesure l’orientation d’un plan, on commence par repérer dans ce plan une ligne horizontale ; l’orientation de cette ligne est elle aussi donnée par un azimut. C’est là qu’apparaît la difficulté de vocabulaire : certains parlent de la « direction du plan », mais il s’agit en réalité de l’azimut de la ligne horizontale contenue dans ce plan.

Le mot azimut vient de l’espagnol acimut, lui-même d’origine arabe. Les dictionnaires historiques le rattachent à un terme arabe désignant les directions ou les chemins, ce qui éclaire bien son sens premier : l’azimut est d’abord ce qui permet d’indiquer une direction sur l’horizon. En français, le mot est attesté dès le XVIe siècle dans le vocabulaire de l’astronomie, où il désignait d’abord un cercle vertical passant par un astre, puis l’arc de l’horizon ou l’angle servant à repérer sa direction. Ce n’est qu’ensuite que le terme a pris son sens moderne plus général d’angle horizontal d’orientation, aujourd’hui employé en astronomie, en navigation, en topographie et en géologie.

2. Comment décrire l’orientation d’un plan

Un plan géologique, par exemple un litage ou une faille, ne peut pas être résumé par un seul angle. Il faut connaître à la fois son orientation horizontale et son inclinaison.

La première information est donc l’azimut de la ligne horizontale du plan. Cette ligne est la ligne d’intersection entre le plan géologique et un plan horizontal. Dans de nombreux cours, on appelle cette ligne la « direction » du plan. Le terme existe et reste courant, mais pour des étudiants débutants il vaut mieux bien dire qu’il s’agit de la ligne horizontale du plan, et que cette ligne est décrite par un azimut.

La seconde information est le pendage. Le pendage correspond à l’angle maximal que fait le plan avec l’horizontale. Il se mesure dans la direction de la plus grande pente, donc perpendiculairement à la ligne horizontale du plan. Il faut donner non seulement la valeur de cet angle, mais aussi le sens du pendage, c’est-à-dire le côté vers lequel le plan descend.

Supposons par exemple qu’un banc calcaire possède une ligne horizontale orientée selon l’azimut 045°, et qu’il s’incline de 30° vers le sud-est. On pourra alors écrire : 045/30 SE ou N45°E 30°SE. Cela signifie que l’azimut de la ligne horizontale du plan est 045°, et que le plan pend de 30° vers le sud-est.

3. Comment décrire l’orientation d’une ligne

Lorsqu’on mesure une structure linéaire, la description est différente. Une ligne se définit par son azimut et par son plongement.

L’azimut de la ligne correspond à l’orientation de sa projection horizontale. Le plongement est l’angle que fait cette ligne avec l’horizontale, vers le bas. Une ligne parfaitement horizontale a un plongement de 0°. Une ligne verticale a un plongement de 90°.

Par exemple, si une linéation descend vers l’azimut 120° avec un angle de 25°, on pourra noter 120/25 ou N120°E 25°SE. Cette notation signifie que la ligne plonge de 25° vers 120°.

Il ne faut pas confondre pendage et plongement. Le pendage concerne un plan. Le plongement concerne une ligne.

En anglais, le plongement d’une ligne se dit plunge, et son azimut se note souvent trend. Une ligne est donc décrite par trend and plunge, alors qu’un plan est décrit par strike and dip. Pour s’en souvenir, on peut retenir la formule suivante : plan = strike/dip, ligne = trend/plunge. Le mot dip correspond au pendage d’un plan, tandis que plunge correspond au plongement d’une ligne. Cette distinction est souvent plus claire en anglais qu’en français, où pendage et plongement se ressemblent beaucoup.

Dans la littérature anglo-saxonne, lorsqu’une ligne est contenue dans un plan, on utilise aussi très souvent le pitch (ou rake). Le pitch est l’angle mesuré dans le plan, entre la ligne observée et la direction de strike de ce plan. Il ne s’agit donc pas de la même chose que le plunge : le plunge décrit l’inclinaison de la ligne dans un plan vertical par rapport à un plan horizontal, alors que le pitch la décrit par rapport au plan qui la contient. Cette notation est très utile, par exemple, pour décrire une strie sur un plan de faille ou une linéation visible sur un plan de schistosité.

4. Pourquoi ces mesures sont-elles utiles ?

Sur le terrain, ces mesures permettent d’abord de décrire les roches de façon rigoureuse. Deux couches qui semblent « inclinées vers la droite » ou « presque verticales » ne sont pas décrites de manière scientifique tant qu’on n’a pas fourni une mesure. Une notation comme 060/35 SE ou 120/70 SW permet au contraire de transmettre une information précise, reproductible et comparable.

Ces mesures servent aussi à comprendre la géométrie des structures. L’orientation des couches renseigne sur le basculement des terrains. Celle des failles permet d’interpréter les déformations tectoniques. Celle des axes de plis ou des linéations permet de caractériser les phases de plissement ou d’étirement. Enfin, l’ensemble des mesures réunies sur une carte donne accès à la structure tridimensionnelle du sous-sol.

5. Principe général d’utilisation, quel que soit le modèle

Malgré la diversité des boussoles de géologue, la logique de mesure reste toujours la même. Il faut distinguer deux choses : d’une part l’orientation horizontale, donnée par un azimut, et d’autre part l’inclinaison, mesurée soit par le pendage pour un plan, soit par le plongement pour une ligne. Autrement dit, on commence par répondre à la question « dans quelle direction cela est-il orienté ? », puis à la question « de combien cela s’incline-t-il ? ».

Lorsqu’on veut mesurer l’attitude d’un plan — par exemple une couche, un plan schisteux ou une faille — la première étape consiste à appliquer la boussole contre la surface rocheuse. Il ne s’agit pas de mesurer directement la pente maximale, mais d’abord de repérer dans ce plan une ligne horizontale. Cette ligne est essentielle, car c’est elle qui sert de référence pour l’orientation du plan. Selon le modèle de boussole, on obtient cette ligne soit en utilisant un niveau à bulle, soit en ajustant l’instrument jusqu’à ce qu’il soit parfaitement horizontal.

Une fois cette ligne horizontale repérée, on peut mesurer son azimut. C’est cette valeur que beaucoup de géologues appellent, parfois de manière un peu abusive, la « direction du plan ». En réalité, il s’agit plus rigoureusement de l’azimut de la ligne horizontale contenue dans le plan.

Mesure de l'azimut

La figure suivante montre précisément cette première étape. La ligne jaune matérialise la ligne horizontale recherchée dans le plan rocheux. C’est sur cette ligne que l’on vient caler le bord de la boussole pour en mesurer la direction.

Lorsque la boussole est correctement positionnée, on fait tourner le cadran mobile jusqu’à ce que la flèche rouge du fond du boîtier soit alignée avec l’aiguille aimantée. On peut alors lire l’azimut sur le repère approprié. Sur certains modèles, deux repères sont possibles ; il faut choisir celui qui correspond au sens de lecture correct. Dans l’exemple ci-dessous, la lecture se fait du côté de la ficelle rouge, sur le repère vert entouré en jaune. L’azimut mesuré est ici de 126°.

Cette étape demande souvent un peu d’attention au début, car l’étudiant hésite facilement entre les deux repères de lecture. C’est justement l’intérêt de l’exemple suivant : selon la position de la boussole et le sens de la mesure, il peut arriver que la bonne lecture ne se fasse pas du côté de la ficelle rouge, mais sur l’autre repère vert, situé du côté opposé.

En pratique, c’est toujours le repère vert indiquant une valeur comprise entre 0° et 180° qui donne la bonne valeur de l’azimut.

Mesure de l'inclinaison

La mesure de l’inclinaison demande elle aussi de respecter plusieurs étapes. Avec ce modèle de boussole, la lecture ne se fait pas directement sur le bord de l’instrument, mais sur le cadran mobile. Avant toute mesure, il faut donc commencer par une première étape de réglage : on place le fond de la boussole de manière à l’aligner sur les repères verts et sur la direction E–W. Ce calage initial est indispensable pour que la lecture de l’inclinaison soit correcte (Figure 10).

Une fois ce réglage effectué, on applique le bord long de la boussole contre la ligne dont on veut mesurer l’inclinaison (Figure 11). Il faut que ce bord soit bien calé sur la ligne observée, sans décalage. Si l’aiguille plombée n’est pas parfaitement stabilisée, il peut être utile de tapoter légèrement sur la boussole afin de l’aider à reprendre une position bien verticale.

Lorsque l’instrument est correctement positionné et que l’aiguille plombée est stabilisée, on peut alors effectuer la lecture de l’angle sur le cadran mobile (Figure 12). On obtient ainsi la valeur de l’inclinaison mesurée. Cette méthode s’applique aussi bien au pendage d’un plan qu’au plongement d’une ligne, selon la structure étudiée.

6. À quoi sert le miroir ?

Le miroir facilite la lecture de la boussole au moment de la mesure de l’azimut. Lorsque l’on tient l’instrument en position de mesure, il n’est pas toujours facile de vérifier en même temps la visée, la position de l’aiguille aimantée et l’orientation du cadran mobile. Le miroir permet justement de voir simultanément le dessus de la boussole et son reflet, sans avoir à modifier la position de l’instrument.

Concrètement, une fois la boussole correctement orientée, on fait tourner le cadran mobile jusqu’à ce que la flèche rouge tracée sur sa partie mobile vienne se caler exactement sur l’aiguille aimantée visible dans le miroir. Cette superposition est une étape essentielle : elle indique que le cadran est bien réglé par rapport au nord magnétique. On peut alors lire correctement l’azimut sur le repère prévu à cet effet.

L’intérêt du miroir est donc double. D’une part, il évite de pencher la tête ou de déplacer la boussole au moment critique de la lecture. D’autre part, il permet de mieux contrôler l’alignement entre la flèche rouge du cadran mobile et l’aiguille aimantée, ce qui limite les erreurs de lecture. Le miroir n’est donc pas un accessoire secondaire : il améliore la précision de la mesure, à condition de bien comprendre qu’il sert avant tout à contrôler l’alignement au moment du réglage du cadran.

7. Le modèle utilisé en cours

Le modèle présenté ici est une boussole à miroir Recta DS50, commercialisée aujourd’hui comme l’équivalent de la Suunto MC-2 chez plusieurs revendeurs. Cette filiation n’est pas surprenante : la marque Recta a été intégrée à Suunto en 1996, et les boussoles Recta sont fabriquées dans l’usine Suunto Oy en Finlande. On rencontre ainsi, selon les vendeurs, les appellations Recta DS50, Suunto MC-2 ou encore Recta DS50 / Suunto MC2, pour un instrument de même famille technique.

Cette boussole est un modèle particulièrement intéressant pour l’enseignement de terrain, car elle réunit dans un même instrument les fonctions essentielles à la mesure des structures géologiques. Elle possède une capsule liquide pour stabiliser l’aiguille, un miroir de visée, un clinomètre intégré pour mesurer les inclinaisons, une correction réglable de la déclinaison, ainsi qu’un trou de visée et une encoche qui améliorent la précision des relèvements.

8. Difficultés classiques des débutants

Une première difficulté tient au fait que l’instrument doit être correctement positionné. Si la boussole n’est pas bien plaquée contre le plan, si elle est légèrement inclinée ou si l’affleurement est irrégulier, la mesure devient fausse. Les roches altérées, les surfaces bosselées ou les plans mal dégagés sont donc de mauvaises surfaces de mesure. Lorsque la surface est trop irrégulière, il peut être utile d’appliquer contre l’affleurement un support plan — par exemple un carnet de terrain, une petite planchette de bois ou toute autre surface rigide et plane — afin de moyenner les irrégularités locales et de définir plus correctement le plan à mesurer.

Il faut également rappeler que l’aiguille magnétique peut être perturbée par des objets métalliques proches : marteau, montre, téléphone, fermeture éclair, véhicule, clôture, ou même certaines roches riches en minéraux magnétiques. Le marteau de géologue constitue à lui seul une source classique de perturbation, car sa masse métallique peut dévier l’aiguille si elle est trop proche de la boussole. Beaucoup d’étudiants oublient ce point et gardent leur marteau dans la main, à la ceinture ou juste à côté de la zone de mesure, ce qui peut suffire à fausser le résultat.

Enfin, il faut se souvenir que l’aiguille aimantée n’indique pas exactement le nord géographique, mais le nord magnétique. Plus rigoureusement, elle s’aligne sur le champ magnétique terrestre, produit en grande partie par les mouvements du métal liquide dans le noyau externe de la Terre. Il existe donc un angle entre le nord géographique et le nord magnétique : c’est la déclinaison magnétique. Cette déclinaison varie selon le lieu et selon la date, car le champ magnétique terrestre évolue au cours du temps. En toute rigueur, une mesure à la boussole devrait donc être corrigée de la déclinaison si l’on veut obtenir un azimut rapporté au nord géographique.

Pour obtenir une valeur actuelle de la déclinaison, on peut utiliser le calculateur en ligne de la NOAA (NOAA – Magnetic Declination Calculator). Cet outil permet de déterminer la déclinaison magnétique à partir d’un lieu, de coordonnées géographiques et de la date d’observation. Il repose sur des modèles géomagnétiques de référence mis à jour périodiquement, comme le World Magnetic Model (WMM) et l’International Geomagnetic Reference Field (IGRF). C’est aujourd’hui l’un des outils les plus simples et les plus utiles pour corriger rigoureusement une mesure d’azimut effectuée à la boussole (Figure 13).

En pratique, pour tenir compte de la déclinaison, il faut corriger l’azimut lu sur la boussole en ajoutant ou en retranchant la valeur fournie par le calculateur, selon que la déclinaison est orientée vers l’est ou vers l’ouest et selon la convention adoptée par l’instrument utilisé. Il est donc indispensable de bien vérifier la convention de signe avant toute correction. L’IGN rappelle également que les valeurs figurant sur les cartes ne restent valables qu’un certain temps et doivent être actualisées lorsque l’on cherche une mesure précise.

9. Utiliser un smartphone quand on n’a pas de boussole de géologue

Lorsqu’on ne dispose pas d’une boussole de géologue, un smartphone peut constituer une solution très utile, à condition d’utiliser une application adaptée. Sur iPhone, l’application Geoscope offre une approche particulièrement intéressante pour le travail de terrain. Elle combine une boussole et un fond cartographique, de manière à relier directement la mesure d’une direction à la lecture du paysage et de la carte. Télécharger sur l'App Store

L’intérêt principal de cette application est qu’elle ne se contente pas d’afficher un azimut. Elle permet à l’utilisateur de viser un objet du paysage — relief, crête, sommet, falaise, affleurement, point remarquable — tout en contrôlant simultanément la cohérence de la mesure sur la carte. Cette double vérification rend les mesures beaucoup plus sûres que dans l’usage d’une simple application-boussole isolée : l’étudiant ne lit pas seulement une valeur, il peut vérifier que la direction mesurée correspond bien à l’objet observé et à sa position cartographique. Geoscope est d’ailleurs présenté comme une application où la boussole est directement superposée à la carte, ce qui permet d’aligner précisément le regard avec les reliefs lointains ou les points d’intérêt, à la manière d’une table d’orientation virtuelle.

10. Notation graphique sur le carnet de terrain

Sur le terrain, il est souvent plus pratique d’utiliser une notation graphique qu’une phrase complète. Pour les plans, on emploie généralement un symbole dérivé d’un T. La barre la plus longue représente la ligne horizontale du plan ; elle est donc tracée selon son azimut. La petite barre perpendiculaire indique le côté vers lequel le plan plonge. On peut ajouter à côté la valeur du pendage pour préciser la mesure.

Ce symbole permet de noter rapidement une attitude sur un carnet ou sur une carte. Il faut bien comprendre sa logique : la grande barre donne l’orientation du plan, tandis que la petite barre donne le sens de l’inclinaison. On retrouve donc, sous forme graphique, les deux informations essentielles déjà présentes dans une notation du type 070/25 SE.

Lorsque le plan est horizontal, le pendage est nul. Dans ce cas, il n’existe pas de direction de pente privilégiée. On le représente donc par une croix, ce qui traduit le fait que toutes les directions horizontales sont équivalentes.

Lorsque le plan est vertical, le pendage est de 90°. On le représente en général par un trait portant un point en son milieu. Ce symbole indique que le plan est redressé à la verticale.

On peut résumer ces trois cas de la manière suivante :

• Plan incliné : symbole en T ; la grande barre donne la ligne horizontale, la petite barre indique le sens du pendage.
• Plan horizontal : symbole en croix.
• Plan vertical : symbole formé d’un trait avec un point au milieu.

11. Visée, relèvement et précision des mesures

La boussole de géologue ne sert pas seulement à mesurer l’orientation d’un plan ou d’une ligne au contact direct de l’affleurement. Elle permet aussi d’effectuer des visées et des relèvements, c’est-à-dire de déterminer l’azimut d’un objet éloigné : sommet, arbre isolé, route, affleurement, faille visible à distance, bâtiment, ou tout autre repère du paysage. Cette fonction est particulièrement utile en topographie, pour se repérer dans l’espace, vérifier une direction sur le terrain, ou reporter correctement une observation sur une carte.

Pour réaliser un relèvement précis, la boussole est équipée d’un dispositif de visée, généralement constitué d’un trou de visée et d’une encoche (Figure 13). En plaçant l’œil dans l’alignement de ces deux repères, l’utilisateur définit une ligne de visée rigoureuse vers la cible choisie. Ce dispositif permet d’éviter les approximations d’une visée « au jugé » et réduit les erreurs de parallaxe. L’azimut mesuré correspond alors à la direction exacte de l’objet visé.

Sur les boussoles de type Recta DS50 ou Suunto MC-2, le dispositif de visée fonctionne en association avec le miroir. Celui-ci joue un rôle essentiel, car il permet de contrôler en même temps la cible visée, l’aiguille aimantée et le cadran. L’utilisateur peut ainsi maintenir la boussole correctement orientée vers l’objet tout en vérifiant que l’aiguille est bien alignée avec les repères du fond de capsule. Sans ce miroir, il faudrait successivement viser la cible puis regarder le cadran, ce qui entraînerait presque inévitablement un déplacement de l’instrument et donc une perte de précision.

Le miroir comporte aussi une ligne verticale de repère (Figure 13). Cette ligne sert à améliorer la précision de la visée : lorsqu’on regarde dans le miroir, elle permet de vérifier que la cible observée se trouve bien dans l’axe de la boussole. Autrement dit, elle matérialise une véritable ligne de foi pour le relèvement (on appelle ligne de foi la ligne de référence qui matérialise la direction de visée de l’instrument. Sur une boussole, elle correspond à l’axe suivant lequel on aligne l’appareil avec la cible observée. C’est donc cette ligne qui sert de support à la mesure de l’azimut. Selon les modèles, elle peut être indiquée par un trait gravé, un repère de visée, ou encore par la ligne verticale visible dans le miroir).

La ligne verticale du miroir aide donc l’utilisateur à maintenir correctement l’instrument orienté vers un point lointain, tout en contrôlant en même temps la position de l’aiguille et du cadran. Cela limite les erreurs de visée et rend la mesure d’azimut plus fiable.

Cette possibilité de lire la direction sans quitter la cible des yeux constitue un avantage majeur. Elle rend les relèvements plus fiables et plus reproductibles, ce qui est très important lorsque l’on travaille sur une carte topographique ou géologique. Une direction bien mesurée permet par exemple de vérifier qu’un point observé dans le paysage correspond bien à l’objet figuré sur la carte, ou inversement de retrouver sur le terrain un élément déjà repéré cartographiquement.

En pratique, la méthode consiste à orienter la boussole vers la cible en utilisant le trou de visée et l’encoche, puis à pivoter la couronne mobile jusqu'à ce que la flèche

Une fois cet alignement obtenu, on peut abandonner la position de visée et lire l’azimut du relèvement sur la graduation coincidant avec le repère vert.

En topographie, cette précision est particulièrement utile pour plusieurs raisons. Elle permet d’abord de s’orienter correctement dans le paysage, en identifiant avec certitude la direction d’un repère lointain. Elle permet ensuite de reporter des directions sur une carte, ou au contraire de suivre sur le terrain une direction définie à partir de la carte.

Plusieurs éléments techniques de la boussole contribuent à cette précision. La capsule remplie de liquide amortit les oscillations de l’aiguille et permet une stabilisation plus rapide. Le miroir de visée autorise le contrôle simultané de la cible et du cadran. Les repères de visée assurent un alignement rigoureux. Enfin, la possibilité de régler la déclinaison magnétique améliore encore la qualité des mesures, car elle permet de rapporter les directions au nord géographique plutôt qu’au nord magnétique.