Sismologie expérimentale : initiation et dynamique de la rupture sismique sur des failles complexes

Experimental seismology : initiation an dynamics of seismic rupture on complex faults

• Auteur / Autrice : Alisson Gounon
• Direction : Soumaya Latour, Jean Letort
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Calvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Soumaya Latour, Jean Letort, Mathilde Radiguet de La Bastaie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Campillo, Stefan Nielsen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sismométrie

Failles (géologie)

Sismologie

Mots clés libres

Sismologie expérimentale

Friction

Dynamique de la rupture

Essaims sismiques

Experimental seismology

Friction

Rupture dynamics

Seismic swarm

Résumé

Les séismes sont des phénomènes naturels imprévisibles et parfois destructeurs. Depuis le XVIIIème siècle, un effort majeur a été réalisé afin de comprendre comment ils fonctionnent, comment ils s'initient et sous quelles conditions. Au fil des siècles, notre compréhension de ces phénomènes s'est étoffée, mais ils restent impossibles à prédire. La compréhension de l'initiation d'un séisme est toujours un enjeu majeur de la sismologie moderne. Une des approches possibles pour avancer sur cette compréhension est la réalisation d'expériences en laboratoire. Plusieurs études expérimentales sur la rupture ont ainsi mis en évidence que cette dernière est composée de deux phases, une phase de nucléation précédant une phase de propagation. L'existence de cette phase de nucléation juste avant le séisme reste cependant incertaine dans la réalité malgré quelques indices géophysiques. Les modèles numériques et expérimentaux généralement utilisés simplifient ce phénomène naturel, en travaillant avec des interfaces homogènes. C'est pourquoi j'ai étudié l'effet des hétérogénéités de friction sur la dynamique de la rupture sismique. Pour cela, j'ai utilisé deux dispositifs expérimentaux permettant d'observer l'évolution de la rupture sismique grâce à la méthode de photoélasticité. Grâce au premier dispositif, j'ai comparé le comportement de la rupture se propageant sur des interfaces homogènes avec des rugosités différentes, à celui de la rupture sur une interface hétérogène. Le second dispositif, quant à lui, m'a permis d'observer la rupture sur un autre matériau et d'utiliser différentes configurations et types d'hétérogénéités. Avec ces expériences, nous avons pu observer une phase de nucléation et une phase de propagation pour la plupart des évènements, avec néanmoins des variabilités entre les évènements et les différentes expériences. Nous avons mis en évidence que les hétérogénéités de friction ont une influence sur la vitesse de rupture en corrélant ces variations à la position des hétérogénéités. La rupture ralentit lorsqu'elle se propage dans des zones plus rugueuses avant d'accélérer brusquement et de ralentir à nouveau à la prochaine hétérogénéité. Nous avons pu obtenir, via le premier dispositif, des valeurs effectives des paramètres de friction utilisés dans la loi de frottement considérée. Ces valeurs ont ainsi pu servir de paramètres d'entrée à des simulations numériques réalisées à l'aide de SEM2DPACK. Ainsi, nous avons réussi à retrouver certaines caractéristiques observées expérimentalement. Les expériences et les simulations numériques permettent ainsi de mieux comprendre l'influence de certains paramètres dans la dynamique de la rupture. Dans une deuxième partie, j'ai effectué une étude de la microsismicité locale en travaillant sur un cas d'étude dans les Pyrénées. En effet, durant l'année 2020, deux essaims sismiques sont apparus dans une zone à faible sismicité mais où historiquement d'importants séismes ont eu lieu. Nous avons mis en oeuvre sur ces essaims des méthodes de localisation et de détection qui seraient aussi adaptées à l'étude de précurseurs sismiques. Dans le cas étudié, nous avons mis en évidence que ces essaims se localisent sur une structure sismotectonique, activée probablement par de la diffusion de fluides. L'ensemble des données acquises dans cette thèse a permis d'affiner le rôle des hétérogénéités sur la nucléation et la propagation de celle-ci. Les changements d'échelle des différentes analyses, de l'expérience millimétrique à l'expérience de terrain, permettent de mieux appréhender la complexité de la rupture sismique, de ses origines à ses conséquences. À terme, ces travaux et leurs suites permettront de mieux comprendre et d'estimer plus précisément les facteurs principaux qui interviennent dans la nucléation des séismes, et de mieux anticiper leurs occurrences et conséquences.

Earthquakes are unpredictable and can be destructive natural phenomena. Since the 18th century, they have been strongly studied in order to understand how they work, how they are initiated and under what conditions. Over the centuries, our understanding of these phenomena has grown, but they remain impossible to predict. Understanding the initiation of an earthquake is still a major challenge in modern seismology. One of the possible approaches to improve our knowledge is to conduct laboratory experiments. Several experimental studies on rupture dynamics have shown that it is composed of two phases, a nucleation phase preceding a propagation phase. The existence of this nucleation phase just before the earthquake is still uncertain despite some geophysical evidences. The usual numerical and experimental models generally simplified this natural phenomenon, by mainly working with homogeneous interfaces. This is why I studied the effect of frictional heterogeneities on the dynamics of seismic rupture. First, I used two experimental setups allowing to observe the evolution of the seismic rupture thanks to the photoelasticity method. Using the first setup, I compared the behavior of the rupture, propagating on homogeneous interfaces with different roughnesses, to that of the rupture on a heterogeneous interface. The second setup allowed me to observe the rupture on another material and to use different configurations and types of heterogeneities. With these various experiments, we were able to observe a nucleation phase and a propagation phase for most of the events, with nevertheless variabilities between the events and the different experiments. We have shown that the friction heterogeneities have an influence on the rupture velocity by correlating these variations to the position of the heterogeneities. The rupture slows down when it propagates in rougher areas, before accelerating abruptly and slowing down again at the next heterogeneity. We were able to obtain via the first setup effective values of the friction parameters used in the considered friction law. These values could thus be used as parameters for numerical simulations, carried out with SEM2DPACK. Thus, we have succeeded in recovering some of the characteristics experimentally observed. The experiments as well as the numerical simulations allow us to better understand the influence of some specific parameters in the dynamics of the rupture. In a second part, I carried out a study of the local microseismicity by working on a case study in the Pyrenees. Indeed, in 2020, two seismic swarms appeared in an area with low seismicity but where historically important earthquakes took place. We have implemented on these swarms methods of localization and detection that would also be adapted to the study of seismic foreschocks. In the studied case, we have shown that these swarms are located on a seismotectonic structure, activated by fluid diffusion. All the data obtained in this thesis contribute to refine the role of heterogeneities on the nucleation and propagation of the seismic rupture. The scale changes of the different analyses, from millimeter-scale experiments to field experiments, allow a better understanding of the complexity of the seismic rupture, from its origins to its consequences. This work allow a better understanding and a more accurate estimation of the main factors involved in the nucleation of earthquakes, and to better anticipate their occurrence and consequences.