Dans cette région, l'inversion d'un millier de mesures de stries de failles par la méthode d'Angelier [1,2] a permis d'établir l'histoire tectonique suivante [21], compatible avec celle reconnue dans la plate-forme européenne [3,11,18,27] : (1) extensions précoces orientées NE–SW et est–ouest (ouverture de l'océan Téthys) ; (2) états de contraintes décrochants majeurs, avec σ₁ orienté NW–SE, puis NE–SW (orogenèse pyrénéenne) ; (3) extension WNW (Oligocène) ; (4) transpression ENE au Miocène inférieur [3], puis WNW au Miocène terminal–Pliocène (phase alpine majeure). L'état de contraintes régional actuel est suggéré par l'ouverture de fractures orientées NW–SE [12,21], tapissées de calcite, et à l'échelle de l'Est de France, par les mécanismes au foyer des séismes [8].

3.1 Observations à l'échelle macroscopique

3.2 Observations à l'échelle microscopique

Dans ce placage, les cristaux de calcite sont sparitiques et purs. Dans les rares cristaux maclés (Fig. 2), le maclage s'est produit sur une seule des trois directions potentielles de maclage ; les macles sont rectilignes, très fines et uniques dans chaque direction maclée. Des microfractures orientées N000–030° sont ouvertes entre les cristaux (Fig. 2).

À basse température et à basse pression, les agrégats de calcite se déforment préférentiellement par maclage mécanique le long des plans cristallographiques $\left\{01\overline{1}2\right\}$, appelés plans e (trois par cristal [26], Fig. 2). Le maclage ne se produit sur ces plans que si la contrainte cisaillante résolue sur chaque e excède le seuil de maclage [24].

Les tenseurs des contraintes ont été calculés à partir des plans maclés et non maclés par la méthode d'inversion d'Etchecopar [6], validée dans des régions variées à couverture carbonatée peu déformée [16,17,20,21,24]. En théorie, la valeur de la contrainte cisaillante résolue doit être plus grande pour tous les plans maclés compatibles avec le tenseur-solution que pour tous les plans non maclés. L'inversion des données fournit l'orientation des axes principaux des contraintes ${\sigma }_1,{\sigma }_2$ et σ₃ (compression positive, σ₁⩾σ₂⩾σ₃) [5,25], le rapport Φ des contraintes différentielles $[\Phi =({\sigma }_2-{\sigma }_3)/({\sigma }_1-{\sigma }_3);0⩽\Phi ⩽1]$, et la valeur de σ₁−σ₃ [6,15,17,24].

En raison de la rareté du maclage, le nombre de mesures est égal au tiers de celui auquel on a habituellement recours pour des reconstructions de paléocontraintes [16,20]. La marge d'erreur atteint ±15° sur la direction des axes, ±0,2 pour Φ, et est disproportionnée pour la valeur de σ₁−σ₃. Une méthode indépendante, conçue pour la reconstruction de contraintes à partir des stries de failles [1,2,4,7], a été appliquée sur les plans maclés. L'interprétation mécanique des macles comme des plans de faille microscopiques ne prend pas en compte l'existence d'une strie prédéterminée et du seuil de maclage. L'application des méthodes inverses d'Angelier [1,2] n'a donc été réalisée que pour vérifier les résultats en termes d'orientation des axes ${\sigma }_1,{\sigma }_2$ et σ₃.

4.1 Résultats des inversions

Dans les trois échantillons, quelle que soit la méthode inverse appliquée, la calcite de la matrice de la roche a enregistré un état de contrainte de plus que la calcite en placage (Fig. 3). Dans la matrice, la calcite a subi (1) un régime décrochant, avec σ₁ WNW et/ou σ₃ NNE, appelé « compression WNW » par la suite, et (2) un régime décrochant avec σ₁ nord–sud et/ou σ₃ est–ouest, appelé « compression nord–sud » par la suite. Dans le placage de calcite, seule la compression nord–sud est reconstituée.

Le caractère ténu des deux états de contraintes précités explique le fait qu'ils n'ont pas été reconstitués par l'analyse des failles ; la calcite est connue pour être plus sensible aux faibles contraintes [20].

La compression WNW (Fig. 4) reconstituée dans la matrice est attribuable à la compression alpine du Miocène terminal–Pliocène [3,21].

La compression nord–sud, unique état de contraintes enregistré dans le placage, date donc du Quaternaire. Elle peut correspondre à un épisode tectonique régional, à un état de contraintes local, ou encore à un épisode tectonique régional, modifié par des phénomènes locaux.

Le champ de contraintes actuel reconnu dans cette région est décrochant avec σ₁ orienté NNW [8], comme l'illustre l'ovalisation des forages de Bure (laboratoire souterrain de l'Andra), situés à 10 km au sud–est (Fig. 1) [10]. Divers états de contraintes locaux peuvent être envisagés.

• 1. L'incision de la vallée de la Marne, située à 4 km à l'ouest de la carrière, a pu engendrer un relâchement des contraintes dans la direction N080° (perpendiculaire à la faille de la Marne, Figs. 1 et 4). La carrière, située dans une colline, est susceptible d'avoir subi d'autres contraintes d'origine topographique [22].
• 2. La compression nord–sud n'a pu être enregistrée qu'avant l'excavation, lorsque les épontes de la faille étaient jointives. L'excavation de la carrière a cependant pu induire un étirement N120° (perpendiculaire au mur ; Fig. 4), qui expliquerait les microfractures observées entre les cristaux (Fig. 2).
• 3. La carrière étant dans un synclinal d'axe est–ouest, les contraintes ont pu être accrues dans la direction nord–sud si le pli a été réactivé (effet compressif d'intrados).

Tous ces phénomènes ne peuvent pas expliquer le caractère décrochant de l'état de contrainte reconstitué dans le placage de calcite, qui ne peut être attribué qu'à la tectonique régionale. La compression nord–sud, responsable essentiel des déformations observées dans la carrière sur le réseau karstique, est donc représentative du champ de contrainte régional quaternaire, certes modifié par des phénomènes locaux (Fig. 4) en termes d'orientation des axes et de valeur des contraintes.

D'un point de vue méthodologique, cette étude montre que la méthode d'Etchecopar permet de reconstituer les directions des contraintes, même sur un faible nombre de données ; les résultats ont été vérifiés à l'aide de la méthode d'Angelier appliquée à l'analyse des plans maclés.

D'un point de vue tectonique, l'analyse du maclage de la calcite permet de déterminer des états de contraintes récents à actuels [14]. Une modélisation numérique est envisagée pour quantifier l'effet des phénomènes locaux sur le champ des contraintes régional. D'autres mesures sont nécessaires dans la carrière pour déterminer les valeurs des contraintes actuelles, puis à l'échelle de la région pour en déterminer la variation spatiale.

This regional tectonic succession is partly reconstructed in the quarry by fault slip analyses: (1) an east–west-trending extension, attributed to the Late Jurassic, has induced normal faults trending N000-030; (2) a NW–SE-trending compression, corresponding to the early Pyrenean compression, has reactivated these faults with a left-lateral strike-slip motion; (3) the Oligocene extension is represented by minor normal striae on previous faults.

In the quarry, only the NNE-trending fractures are open and karstified [12,21]. A bridge linking the two sides of a vertical conduit trending north–south is broken, with an opening and a vertical offset of nearly 10 cm (normal faulting).

Three oriented samples S1, S2 and S3 spaced of few tens centimetres were extracted from the wall of a N035°-trending karstified fault plane covered by a centimetre thick calcite. The calcite coating post-dates the karst [13] and is dated (U/Th) at less than 200 ka [13]. The second wall of the crystallised fracture has been removed during the excavation.

In this calcite coating, the crystals are sparitic, pure, and seldom twinned (Fig. 2); optical axes are randomly spaced. In the few twinned crystals, twinning occurred in only one of the three directions of potential twinning. Twins are straight and generally unique in each twinned direction. Open fractures trending N000-030° occurred between the crystals (Fig. 2).

In the matrix, the calcite is micritic with numerous inclusions. Twinning occurred in one to three directions, and several times in each twinned direction (Fig. 2).

In each sample, measurements were made in three perpendicular thin sections, separately in the calcite matrix and in the coating. For the calcite coating, the data were collected in the twinned crystals. For the matrix, measurements were made in the largest crystals (100 μm).

At low pressure and temperature conditions, calcite aggregates deform primarily by mechanical twinning along $\left\{01\overline{1}2\right\}$ crystallographic planes named the e-twin planes (three per crystal [26], Fig. 2). Twinning occurs along an e plane only if the resolved shear stress acting on it equals or exceeds the yield stress value for twinning [24].

The palaeostress tensors were determined from twinned and untwinned data through the numerical inverse method of Etchecopar [6], a technique that has been validated in various regions of unmetamorphosed and weakly deformed carbonate cover rocks [16,17,20,21,24]. Theoretically, the value of the resolved shear stress must be larger for all the twinned planes consistent with the tensor solution than for the untwinned planes. Data inversion provides the orientation of principal stress axes ${\sigma }_1,{\sigma }_2$, and σ₃ (positive compression, σ₁⩾σ₂⩾σ₃) related to calcite twinning [5,25], the Φ ratio of the differential stress values $[\Phi =({\sigma }_2-{\sigma }_3)/({\sigma }_1-{\sigma }_3);0⩽\Phi ⩽1]$ and the maximum differential stress σ₁−σ₃ [6,15,17,24].

Because twins were not numerous, the number of measurement is the third of the one generally used for palaeostress reconstructions [16,20]. The number of measured untwinned planes is clearly insufficient in the matrix of samples S1 and S2 (Fig. 3). The error margin reaches ±15° on trends of stress axes, ±0,2 on Φ, and is disproportionate for σ₁−σ₃ value. An independent method, generally used for stress reconstruction with slip of minor faults [1,2,4,7], was applied on the twinned plane data. The difference between faulting and twinning is that twinning occurs in a sole trend and direction of slip, above a fixed yield stress. Thus, the interpretation of mechanical twins as microscopic fault slips induces an important error margin on the evaluated stress trends and removes the information about the stress magnitudes. The computerised methods of Angelier [1,2] were thus applied with the sole aim at verifying the obtained results in terms of orientation of ${\sigma }_1,{\sigma }_2$, and σ₃ stress axes.

In the three samples and with both methods, the inversions reveal an additional state of stress in the matrix compared to the coating (Fig. 3). In the matrix, calcite has undergone (1) a strike-slip regime with σ₁ trending WNW an/or σ₃ trending NNE, called ‘WNW compression’ below, and (2) a strike-slip regime with σ₁ trending north–south, called ‘north–south compression’ below. In the calcite coating, only the north–south compression is reconstructed.