Séismes au laboratoire : friction, plasticité et bilan énergétique

Laboratory earthquakes : friction, plasticity and energy budget

• Auteur / Autrice : Jérôme Aubry
• Direction : Alexandre Schubnel, Javier Escartín
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Wenlu Zhu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Schubnel, Javier Escartín, Wenlu Zhu, Marie Violay, Stefan Nielsen, Jérôme Fortin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Violay, Stefan Nielsen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Séisme

Déformation des roches

Transition fragile-Plastique

Rugosité

Température

Stick-Slip

Earthquakes

Rock deformation

Brittle-Plastic transition

Roughness

Temperature

Stick-Slip

Résumé

Au sein de la lithosphère, la transition entre déformations fragile et plastique des roches s’effectue dans le régime semicassant. Comprendre le comportement des failles naturelles dans le régime semi-cassant est fondamental puisque d’importants séismes nucléent à la base de la zone sismogénique, à des conditions de pression et température proches de celles de la transition fragile-plastique. Pendant un séisme, l’énergie élastique accumulée lors de la période intersismique est dissipée au sein de l’interface de glissement par des processus frictionnels et de fracture, le reste étant relâché sous forme d’ondes sismiques. Ce budget énergétique est influencé par la déformation des surfaces de failles pendant des glissements lents à rapides, et plus particulièrement par des processus de chauffage, invisibles aux yeux de la sismologie. Afin d’étudier la déformation semi-cassante des roches et le budget énergétique des séismes, nous avons effectué des expériences de reproduction de séismes au laboratoire, en conditions triaxiales, à l’aide de failles expérimentales de différentes lithologies. Nous avons étudié l’influence de la pression, de la vitesse de déformation, de la température et de la rugosité sur la stabilité des failles le long de la transition fragile-plastique et exploré la dynamique des séismes au laboratoire en mesurant la quantité de chaleur produite sur une faille durant un cycle sismique. Deux conclusions principales émanent de ces travaux. D’abord, les séismes au laboratoire peuvent se déclencher au sein de roches déformées plastiquement dans le régime semi-cassant. Les glissements observés sont majoritairement contrôlés par la rugosité de la faille. Pour finir, lors d’un cycle sismique, les failles opèrent une transition depuis un stade avec de multiples aspérités radiant peu d’énergie, à un stade où elles évoluent comme une aspérité unique, radiant un maximum d’énergie.

In the lithosphere, the transition from brittle to plastic rock deformation corresponds to the semi-brittle regime. Understand how natural faults behave in the semi-brittle regime is fundamental to explain why large earthquakes generally nucleate at the base of the seismogenic zone, found at pressure and temperature conditions close to the predicted brittle-plastic transition. During an earthquake, part of the released elastic strain energy stored during the interseismic period is dissipated within a fault slip zone by frictional and fracturing processes, the rest being radiated away via elastic waves. This energy balance is influenced by the deformation of fault surfaces during slow or fast sliding, especially by frictional heating processes which could not be resolved by seismology. To investigate semi-brittle deformation and the energy balance of natural earthquakes, we performed laboratory earthquakes in triaxial conditions on experimental faults of various lithologies. We studied the influence of the confining pressure, axial loading rates, temperature and fault roughness on fault stability across the brittle-plastic transition and investigate the dynamics of laboratory earthquakes by measuring frictional heat dissipated during the propagation of shear instabilities. The main conclusions are twofold. First, laboratory earthquakes may nucleate on inherited fault interfaces at brittle-plastic transition conditions and fault slip behavior is mainly influenced by roughness. Second, we conclude that during sliding, faults exhibit a transition from a weak stage with multiple strong asperities and little overall radiation, to a highly radiative stage during which the fault behaves as a single strong asperity.