Dynamique d'une faille en laboratoire, Étude de l'influence d'un milieu granulaire

Dynamics of a laboratory fault, influence of a granular media

• Auteur / Autrice : Yohann Faure
• Direction : Mokhtar Adda-Bedia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Crassous
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mokhtar Adda-Bedia, Jérôme Crassous, Julien Scheibert, Marianne Metois, François Xavier Passelègue, Elsa Bayart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Crassous, Julien Scheibert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séismes

Sismologie

Milieux granulaires

Mots clés libres

Physique expérimentale

Fracture

Friction

Milieu granulaire

Sismologie

Séismes lents

Experimental physics

Fracture

Friction

Granular media

Seismology

Slow earthquake

Résumé

Lorsque deux plaques tectoniques en contact se déplacent l’une par rapport à l’autre, une force de cisaillement croissante s’applique à leur interface, la faille sismique, qui finit par céder, donnant lieu à un séisme qui libère l’énergie élastique stockée. L’étude de ces mouvements à l’échelle planétaire s’effectue in situ par des mesures sismiques ou géodésiques, mais les interfaces étudiées, en plus d’être hautement hétérogènes, ne sont pas directement accessibles. Les expériences de laboratoire permettent d’étudier le comportement de failles modèles formées par des échantillons de roches ou de matériaux analogues en isolant les paramètres jouant un rôle dans leur dynamique. La problématique de notre étude est d’identifier l’influence d’une couche de gouge, roche broyée présente à l’interface sous forme de poudre ou de grains, sur le comportement d’une faille sismique. Pour ce faire, nous avons développé un dispositif expérimental de cisaillement d’une interface frictionnelle permettant des mesures de déformations et du suivi de particules à haute fréquence. Cela nous a permis d’étudier différentes interfaces frictionnelles bidimensionnelles, formées par des blocs solides de PMMA en présence d’un milieu granulaire piégé à l’interface, modélisant la gouge. En particulier, nous avons étudié les mécanismes d’interaction entre une portion de faille en glissement lent et les régions avoisinantes bloquées. Nos résultats montrent que la portion en glissement lent agit comme un précurseur aux évènements de rupture, déstabilisant l’interface par un mécanisme similaire à celui d’une pré-fissure dans un solide homogène. Ce résultat, et ce dispositif expérimental polyvalent, ouvrent la voie à de nouvelles perspectives dans l’étude d’interfaces frictionnelles complexes.

When two tectonic plates in contact move relative to each other, an increasing shear force is applied to their interface, the seismic fault, which eventually starts slipping, giving rise to an earthquake that releases the stored elastic energy. The study of these movements on a global scale is carried out in situ using seismic or geodetic measurements, but as well as being highly heterogeneous, the interfaces studied are not directly accessible. Laboratory experiments can be used to study the behaviour of model faults formed by samples of rocks or plastic materials by isolating the parameters that play a role in their dynamics. The aim of our study is to identify the influence of a layer of gouge, a crushed rock present at the interface in powder or grain form, on the behaviour of a seismic fault. To do this, we developed an experimental device for shearing a frictional interface, enabling us to measure deformations and track particles at high frequency. This allowed us to perform various experiments on two-dimensional frictional interfaces formed by solid blocks of PMMA in the presence of a granular medium trapped at the interface, modelling the gouge. In particular, we studied the interaction mechanisms between a slowly slipping portion of a fault and the surrounding locked regions. Our results show that the slowly slipping portion acts as a precursor to rupture events, destabilising the interface by a mechanism similar to that of a pre-crack in a homogeneous solid. This result and this versatile experimental set-up pave the way for new perspectives in the study of complex frictional interfaces.