Mieux comprendre le bilan d’énergie des tremblements de terre

Des chercheurs du Laboratoire de simulation en mécanique des solides de l’EPFL et de l’Institut Weizmann ont modélisé l’initiation du glissement entre deux solides en contact frottant et réalisé des avancées majeures dans la description des ruptures sismiques. Ce travail pourra avoir des applications dans la compréhension de l’amplitude et de la vitesse d’un tremblement de terre, par exemple. Il est aujourd’hui encore impossible de déterminer quand un tremblement de terre aura lieu, comme le « Big One », cette secousse dévastatrice qui menace la Californie depuis des années. Plus près de nous, les récentes successions de séismes en Valais début novembre font resurgir la crainte d’un tremblement de terre majeur dans la région. À défaut de pouvoir prédire les séismes, des chercheurs de l’EPFL et de l’Institut Weizmann en Israël ont réalisé une avancée qui pourrait permettre de mieux évaluer la dynamique d’un tremblement de terre, grâce à une meilleure compréhension de l’initiation du glissement (soit le décrochement de deux blocs en contact sous l’effet du cisaillement), à l’exemple de deux plaques tectoniques. Ces travaux sont publiés en deux parties, dans Physical Review X et Earth and Planetary Science Letters. «Nous avons voulu comprendre ce qui se passe lorsque deux solides en contact frottant se mettent subitement en mouvement suite à une augmentation progressive du cisaillement : la manière dont ils se décrochent va décider de la rapidité et de l’ampleur du mouvement, et donc potentiellement de la violence d’un tremblement de terre par exemple», explique Fabian Barras, assistant-doctorant au Laboratoire de simulation en mécanique des solides de l’EPFL (LSMS) durant cette recherche, et principal auteur des deux publications.

Des parallèles entre glissement et rupture

Concrètement, l’initiation du glissement entre deux blocs n’est pas si uniforme qu’il n’y paraît. Observé par des caméras ultrarapides, le glissement commence à un point précis puis se propage au reste de la surface. « Ce phénomène est très proche de la propagation d’une fissure dans un matériau », souligne Fabian Barras. La première publication des chercheurs étudie cette analogie entre le frottement et la fissuration d’un matériau. « Si la physique d‘une fissure et d’un front de glissement n’est pas exactement la même, leur propagation est similairement actionnée par une chute de la capacité portante du matériau après le passage de la rupture. Par analogie avec la fissuration, nous avons étudié l’origine de la perte d’adhérence observée à l’arrière d’un front de glissement, lorsque l’interface se met en mouvement», poursuit le chercheur. Dans un deuxième temps, les chercheurs ont examiné la concentration de contraintes à la pointe du front de glissement et ont utilisé les outils théoriques de la dynamique de la rupture pour en étudier le bilan d’énergie. À l’inverse d’une fissure, le frottement continue à dissiper de l’énergie après l’initiation du glissement. Pendant la rupture sismique, seule une partie de l’énergie disponible est ainsi utilisée dans la propagation du front de rupture, alors que la partie résiduelle est dissipée par le frottement, essentiellement sous forme de chaleur. C’est sur ce plan que l’étude a pu réviser les modèles utilisés jusqu’ici et permettre de mieux comprendre la part de l’énergie de frottement impliquée dans la propagation du front de rupture. Des outils numériques ont permis de simuler des ruptures sismiques à l’aide de lois de frottement génériques qui reproduisent l’évolution de la force de frottement en fonction de la vitesse de glissement mesurée entre différents types de matériaux. En utilisant la théorie de la rupture dynamique et en appliquant cette théorie au frottement, les chercheurs ont pu alors examiner des expériences réalisées en laboratoire et s’assurer que leurs prédictions étaient correctes. « Nous avons pu valider nos prédictions sur une large gamme de vitesses de rupture observée expérimentalement. Les modèles théoriques développés pourront à l’avenir nous aider à mieux comprendre pourquoi certains séismes dans la nature sont rapides et violents, tandis que d’autres sont lents», explique Fabian Barras.

Géothermie profonde et séismes induits

Ces avancées en recherche fondamentale pourraient un jour être appliquées à des modèles plus complexes, proches des conditions existant le long des failles tectoniques, notamment en y incluant l’effet des fluides présents naturellement ou injectés dans le sol. « Aujourd’hui, plusieurs technologies prometteuses dans le cadre de la transition énergétique reposent sur l’injection de fluide dans le sous-sol, à l’exemple de la géothermie profonde. Il est important de mieux comprendre l’effet de ces injections sur la sismicité. J’espère utiliser les outils développés durant ma thèse pour étudier cet impact », conclut Fabian Barras. « Ce travail montre que des recherches développées dans un laboratoire de Génie civil ont des implications très intéressantes pour la science des tremblements de terre et génèrent des publications de pointe dans des domaines comme la physique», se réjouit le professeur Jean-François Molinari, responsable du Laboratoire de simulation en mécanique des solides. Fabian Barras a d’ailleurs reçu une bourse du Fonds national suisse pour poursuivre ses recherches sur le sujet au sein de l’Université d’Oslo, dans un laboratoire spécialisé dans la géologie des failles. Légende: Entre deux solides en contact frottant, le glissement débute en un point de la surface (correspondant au foyer sismique dans l’exemple d’un tremblement de terre), puis se propage au reste de l’interface telle une fissure dans un matériau fragile. La simulation numérique permet de reproduire le profil des contraintes de cisaillement après l’initiation du glissement et d’étudier l’ampleur de la perte de frottement observée dans le sillage des fronts de rupture (zone bleue dans le médaillon). Auteur: Sarah Aubort

Cette recherche a été rendue possible grâce à un financement du Swiss National Science Foundation (Grant No. 162569, thèse de Fabian Barras), ainsi que de la Rothschild Caesarea Foundation pour débuter une collaboration entre le laboratoire de J.F. Molinari à l'EPFL et le groupe de physique théorique de E. Bouchbinder à Weizmann. Eran Bouchbinder remercie aussi le support de Israel Science Foundation (Grant No. 295/16).

Références
Physical Review X: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.041043
Earth and Planetary Science Letters: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.115978