L'équipe de Heather Savage a échantillonné tout le long de la poussée de Muddy Mountain dans le Nevada et a fait des découvertes surprenantes. Crédit :Heather Savage
Lorsque vous vous frottez les mains pour les réchauffer, le frottement crée de la chaleur. La même chose se produit lors des tremblements de terre, qu'à une échelle beaucoup plus grande :Lorsqu'une faille glisse, la température peut grimper de plusieurs centaines de degrés, suffisamment élevé pour altérer les composés organiques dans les roches et laisser une signature. Une équipe de scientifiques de l'Observatoire terrestre de Lamont-Doherty de l'Université Columbia a développé des méthodes pour utiliser ces signatures organiques pour reconstruire les tremblements de terre passés et explorer où ces tremblements de terre ont commencé et se sont arrêtés et comment ils se sont déplacés à travers la zone de faille. Les informations pourraient éventuellement aider les scientifiques à mieux comprendre ce qui contrôle les tremblements de terre.
La géophysicienne de Lamont Heather Savage et la géochimiste Pratigya Polissar ont commencé à développer les méthodes il y a environ huit ans, en s'appuyant sur les techniques utilisées par l'industrie pétrolière. Leur association unique de deux domaines – la mécanique des roches et la géochimie organique – a rendu possibles des innovations qui changent notre vision des tremblements de terre.
Le processus commence sur le terrain, le long d'une faille où les scientifiques découpent ou forent des échantillons à l'intérieur de la zone de faille. Lorsque les sédiments d'une zone de faille sont chauffés par le frottement d'un séisme, cette explosion de chaleur courte mais puissante modifie la composition chimique de la matière organique à l'intérieur de la roche. (Le même processus sur de longues périodes crée du pétrole et du gaz.) Les scientifiques peuvent examiner les composés organiques de ces échantillons et comparer le rapport des molécules stables aux molécules instables pour mesurer leur maturité thermique et déterminer à quel point chaque échantillon est devenu chaud.
« Si même une petite structure à l'intérieur d'une faille a subi un tremblement de terre, nous pouvons en fait voir la différence entre la chaleur de cette partie de la faute par rapport à tout ce qui se trouve à l'extérieur, " a déclaré Savage. " Ce que nous voulons savoir, c'est où les tremblements de terre dans cette grande zone de faille se produisaient réellement. Est-ce qu'ils arrivent tous d'un côté? Sont-ils distribués partout? Sont-ils tous regroupés sur le matériau le plus faible de la zone de faille ? »
"Ce que cela fait, c'est nous donner une image, presque comme une carte thermique, de la faute elle-même, et les endroits les plus chauds sont là où les tremblements de terre se sont produits, " dit Sauvage.
Lorsque les températures sont suffisamment élevées, la roche peut fondre, créant des pseudotachylytes vitreux. Les géologues ont utilisé ces restes de roches fondues pendant plusieurs années, mais les trouver est rare.
Les failles peuvent être des fissures minces ou des zones plus larges avec de la roche concassée à l'intérieur. Il est difficile de dire en les regardant où dans la zone des tremblements de terre auraient pu se produire dans le passé. Cela fait partie de Punchbowl Fault, le long du système de San Andreas. Crédit :Heather Savage
Sauvage, Polissar, et leur équipe regardent de plus près, au niveau moléculaire, où ils peuvent mesurer la maturité thermique des composés organiques communs pour déterminer à quel point l'échantillon est devenu chaud. Ils testent souvent les méthylphénanthrènes, molécules organiques assez communes dans les failles des roches sédimentaires entre 1 et 5 kilomètres sous terre. Dans les failles plus profondes, quelques 10-14 kilomètres plus bas, les scientifiques peuvent rechercher des diamantoïdes, qui sont parmi les composés organiques les plus stables thermiquement.
Pour mettre leurs données moléculaires en contexte, les scientifiques doivent également comprendre comment les roches de la faille réagissent à la chaleur et à la pression. Dans le laboratoire de mécanique des roches et des glaces de Lamont, L'équipe de Savage peut tester des échantillons de roche sous une large gamme de pressions et de températures élevées. De leurs expériences, ils peuvent développer des modèles qui montrent combien de contrainte de cisaillement et de déplacement sont nécessaires pour générer des niveaux spécifiques de chaleur dans des types spécifiques de roche, et ensuite comment cette chaleur va se désintégrer par diffusion.
En utilisant ces modèles, les scientifiques peuvent alors regarder l'analyse géochimique de leurs échantillons, déterminer les températures auxquelles les composés ont été exposés dans le passé, et estimer le frottement du tremblement de terre et jusqu'où la faille a glissé.
Par exemple, lorsque l'équipe a testé des échantillons de la méga-poussée de Pasagshak Point sur l'île Kodiak en Alaska, ils ont mesuré le rapport des diamantoïdes thermiquement stables aux alcanes thermiquement instables et ont déterminé que la température lors d'un séisme passé aurait augmenté entre 840°C et 1170°C au-dessus de la température normale de la roche environnante. A partir de cette élévation de température, ils ont pu estimer que l'énergie de friction du tremblement de terre aurait été de 105-227 mégajoules par mètre carré, probablement un séisme de magnitude 7 ou 8. À l'aide de leurs mesures expérimentales de frottement, ils pouvaient alors estimer que la faille devait avoir glissé de 1 à 8 mètres.
Lors de la réunion d'automne de l'American Geophysical Union aujourd'hui à San Francisco, Geneviève Coffey, un étudiant diplômé dans l'équipe de Savage à Lamont, ont présenté les premiers résultats de leurs tests à la plus haute densité à ce jour, impliquant des échantillons prélevés dans des transects le long de la poussée de Muddy Mountain dans le Nevada. Une surprise était que les endroits où l'on pouvait s'attendre à voir des températures élevées en raison des structures locales dans la roche n'étaient pas nécessairement les endroits où ils l'ont trouvé, dit Coffey. "La variabilité structurelle le long d'une faille n'indique pas nécessairement qu'un glissement s'est produit le long de cette section, " elle a dit.
L'équipe de Savage travaille sur des expériences similaires à la faille de San Andreas, et la tranchée du Japon où a commencé le tremblement de terre de Tōhoku, et ils travaillent avec des collègues sur des techniques pour dater les tremblements de terre.
"L'étape importante pour nous est de déterminer comment chacun de ces composés réagit au temps et à la température, " dit Savage. " Cela va nous renseigner sur la physique des tremblements de terre dans cette faille, ce qui, à long terme, pourrait conduire à une meilleure compréhension des risques sismiques."
