Rayonnement haute fréquence et précurseurs des séismes en laboratoire

High frequency radiation and foreshocks during laboratory earthquakes

• Auteur / Autrice : Samson Marty
• Direction : Alexandre Schubnel, Harsha S. Bhat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 21/01/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• 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 opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Clément Narteau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Schubnel, Harsha S. Bhat, Clément Narteau, Elisa Tinti, Michel Bouchon, Aitaro Kato
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisa Tinti, Michel Bouchon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Séisme

Rayonnement haute-fréquence

Nucléation

Signaux précurseurs

Acoustique

Earthquake

High-frequency radiation

Nucleation

Foreshocks

Acoustic

Résumé

Au cours de cette thèse, nous avons reproduit expérimentalement des séismes à l’échelle centimétrique dans des conditions de pression proches de la réalité. Les expériences réalisées nous ont permis d’explorer deux grandes thématiques : (i) l’origine du rayonnement haute-fréquence pendant la rupture dynamique et (ii) les signaux précurseurs pendant la phase de nucléation de la rupture dynamique. Nos résultats montrent que le rayonnement haute-fréquence est concomitant à la propagation du front de rupture et que deux paramètres induisent une augmentation du rayonnement haute-fréquence : l’état de contrainte initial et la vitesse de rupture. Les analyses microstructurales des échantillons de roches suggèrent que la production d’endommagement cosismique ou de particules de gouge contribue au rayonnement haute fréquence. L’étude des signaux précurseurs (i.e., précurseurs acoustiques) montre que la nucléation est un processus en très large majorité asismique. Ce très faible couplage pourrait expliquer le peu d’observations de séismes précurseurs à l’échelle des failles crustales. L’analyse temporelle des émissions acoustiques suggère que leur dynamique est principalement contrôlée par l’accélération du glissement pendant la phase de nucléation. La microtopographie et la microstructure des échantillons de roches montrent que le couplage est directement relié à la rugosité du plan de faille. Une augmentation des conditions de pression favorise l’occurrence de processus de déformation plastique ou de fusion partielle au cours de la rupture sismique, ce qui diminue la rugosité et donc le couplage.

During this thesis, we experimentally reproduced centimeter-scale earthquakes under stress conditions close to reality. The experiments allowed us to explore two main themes: (i) the origin of high-frequency radiation during the dynamic rupture and (ii) foreshocks during the nucleation of dynamic rupture. Our results show that the high-frequency radiation is concomitant with the propagation of the rupture front and that two parameters induce an increase of the high-frequency radiation: normal stress and rupture velocity. Microstructural analyzes of rock samples suggest that coseismic damage or gouge particles production also contribute to highfrequency radiation. The study of foreshocks (i.e., acoustic precursors) shows that nucleation process is almost fully aseismic. This very low coupling could explain the few observations of foreshocks at the scale of crustal faults. The temporal analysis of acoustic emissions suggests that their dynamics is mainly controlled by slip acceleration during nucleation phase. Microtopographic and microstructural analyses of the rock samples show that the coupling is directly related to the roughness of the fault plane. An increase in normal stress conditions favors the occurrence of plastic deformation processes or partial melting during the seismic rupture, which reduces the roughness and therefore the coupling.