Mécanismes de fluage des failles actives : apport des grands forages et expérimentations de laboratoire

par Julie Richard

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Jean-Pierre Grattier et de Mai-Linh Doan.

Soutenue le 18-12-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne-Marie Boullier.

Le jury était composé de Roger Soliva.

Les rapporteurs étaient Andrea Billi, Olivier Lacombe.


  • Résumé

    Le fluage est une déformation ductile affectant certaines failles actives, voire toutes. Il existe en effet deux types de fluage. Le premier, le fluage permanent, concerne certaines failles. La déformation s'effectue de façon continue et constante dans le temps. Le second, plus ponctuel, est fréquemment enregistré à la suite d'un séisme. On peut alors parler de déformation post-sismique. La compréhension des mécanismes à l'origine de ces deux types de fluage apparaît étroitement liée à celle de la succession des différentes phases du cycle sismique. Notre étude, basée à la fois sur des observations naturelles et sur des expérimentations de laboratoire, a démontré que le fluage résultait d'une combinaison de processus interagissant les uns avec les autres et favorisant la mise en place d'un mécanisme dominant. Nous avons mis en évidence que les deux paramètres les plus importants à l'établissement de cette dominance étaient la composition minéralogique de la roche et son état d'endommagement. Dans une zone de faille, ces deux paramètres varient avec le temps, la profondeur et avec l'éloignement à la zone de glissement. Par conséquent, les mécanismes de fluage évoluent eux aussi en fonction de ces données. Notre approche microstructurale d'échantillons provenant de la zone en fluage actif de la faille de San Andreas, fournis par le forage SAFOD, nous a permis d'établir une chronologie des déformations subies par les roches de cette zone. Un modèle d'évolution des mécanismes de fluage a ainsi émergé. Cette évolution est capable d'entretenir le fluage au cours du temps de façon permanente, soit par un enrichissement de la zone en minéraux à faible coefficient de friction, comme révélé par les échantillons de la Faille de San Andreas, soit par un équilibre entre processus de fracturation et de cicatrisation, maintenant la résistance de la roche à un seuil trop faible pour un fort chargement. Dans ce dernier cas, nos expérimentations de laboratoire ont montré que si les processus de cicatrisation devenaient dominants, il y avait création d'hétérogénéités de résistance à l'intérieur de la roche. A l'échelle d'une zone de faille, ces hétérogénéités peuvent être suffisamment importantes pour mener à l'initiation d'une rupture conséquente. Ces expériences sont analogues au cas de la Faille de San Andreas, où dans un contexte de fluage permanent, des microaspérités locales génèrent de la sismicité.

  • Titre traduit

    Mechanism of creep of active faults : data from drilling and laboratory experiments


  • Résumé

    Creep is a ductile deformation mechanism affecting many, if not all, active faults. This mechanism is twofold. First, creep may be permanent, i.e. the deformation takes place through time in a continuous and constant manner. Creep may also appear in a more discontinuous manner, commonly associated with post-seismic deformation. Understanding the origin of both types of creep appears closely connected to understanding the succession of the various stages of the seismic cycle. Our approach is based both on the investigation of natural samples and on laboratory experiments. By doing so, we demonstrate that creep results from a combination of several processes themselves interacting with one another, until the promotion of one particular mechanism. We have established that the most important driving parameters to this convergence were the mineralogical composition of the host rock and its damage state. Within the fault, these parameters change with time, depth and distance from the slip zone. Therefore, the creep mechanisms themselves may change according to the parameters above-mentioned. Our micro-structural approach using SAFOD drill core samples from the San Andreas Fault (California) allowed us to unveil a time-lapsed picture of the deformation sequence in this area. Based on these observations, we suggest a conceptual model for the evolution of creep mechanisms. According to this model, creep is maintained within the fault zone either by the crystallization of low-friction minerals (as shown by the SAFOD samples) or by reaching equilibrium between fracturing and healing, thereby maintaining rock strength below the threshold for important stress loading. In the first scenario, our laboratory experiments showed that if the healing processes become dominant, strength heterogeneities appear within the rock. At the fault scale, these heterogeneities would become numerous enough to lead to a major rupture. These experiments are reasonably similar to what is expected for the San Andreas Fault where permanent creep occurs whereas local asperities are seismic.


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