La géologue structuraliste Michele Cooke appelle cela la « question à un million de dollars » qui sous-tend tous les travaux de son laboratoire de l'Université du Massachusetts à Amherst :que se passe-t-il au plus profond de la terre lorsque des failles décrochantes se forment dans la croûte ? C'est le type de faille qui se produit lorsque deux plaques tectoniques glissent l'une sur l'autre, générant les vagues d'énergie que nous ressentons parfois comme des tremblements de terre.

Les géologues ont été incertains sur les facteurs qui régissent la croissance de nouvelles failles, dit Cooke. Ces dernières années, elle et ses collègues ont proposé les premières explorations systématiques d'une telle évolution des failles. Dans leur nouveau papier, elle et son équipe d'étudiants fournissent des résultats expérimentaux pour illustrer le processus, avec des vidéos, et rapporter sur la façon dont ils reconstituent de tels événements dans l'argile humide en laboratoire. Les détails apparaissent dans l'édition en ligne actuelle de Journal de géologie structurale .

Cooke dit, « Quand je donne des conférences à d'autres géologues, je mets une photo d'une faille et je leur demande :n'aimeriez-vous pas pouvoir voir exactement comment cela s'est formé? Bien, dans mon labo, c'est ce que nous faisons. Nous mettons en place les conditions de failles à petite échelle et les regardons se dérouler. Les gens ont déjà fait ça, mais nous avons développé des méthodes pour que nous puissions voir les défauts se développer très, détail très fin, à une résolution plus fine que quiconque a documenté auparavant."

Les chercheurs d'UMass Amherst adoptent une approche d'efficacité mécanique pour comprendre le développement des défauts. Il précise que les failles de la croûte se réorganisent selon les principes d'« optimisation du travail », ou ce que Cooke appelle l'hypothèse de la « Terre paresseuse ». Il se concentre sur l'efficacité des systèmes de failles à transformer l'énergie d'entrée en mouvement le long des failles. Comme la foudre frappant l'objet le plus proche, lors de la formation d'une faille, la terre prend le chemin le plus facile.

Pour ce travail soutenu par la National Science Foundation, les chercheurs chargent un plateau de kaolin, également connu sous le nom de kaolin, préparé ainsi sa viscosité et son échelle de longueur à celle de la croûte terrestre. Toutes les expériences impliquent deux plaques d'argile humide se déplaçant dans des directions opposées sous l'une des trois conditions aux limites de base, C'est, différentes manières de "charger" le défaut. Un scénario commence par un défaut préexistant, un autre avec déplacement localisé sous l'argile, et une troisième caractérisée par un déplacement à travers une zone de cisaillement plus large sous l'argile.

Les données des expériences de deux heures enregistrent la localisation des contraintes et l'évolution des failles qui représentent des millions d'années à l'échelle de dizaines de kilomètres pendant la maturation des failles décrochantes. Cooke dit, "Nous avons capturé des conditions très différentes pour la formation de failles dans nos expériences qui représentent une gamme de conditions qui pourraient conduire à des failles dans la croûte."

Elle ajoute, "Nous avons constaté que les défauts évoluent pour augmenter l'efficacité cinématique dans différentes conditions, et nous avons appris des choses surprenantes en cours de route. L'un d'eux est que les défauts se ferment en cours de route. On s'en doutait, mais notre expérience est la première à le documenter en détail. Une autre constatation particulièrement surprenante est que les irrégularités de défaut, qui sont inefficaces, persister plutôt que le système formant une ligne droite, faute d'efficacité."

Les auteurs, qui comprennent les étudiants diplômés Alex Hatem et Kevin Toeneboehn, identifier quatre étapes dans l'évolution des défauts :pré-défaut, localisation, tringlerie et glissement. Le processus commence simplement, atteint un sommet de complexité, après quoi la complexité chute brutalement et le défaut se simplifie à nouveau, s'allongeant en un simple « traversant » ou continu, fissure superficielle.

Dans les vidéos de Hatem, la contrainte de cisaillement est clairement visible pour déformer la croûte le long de la zone où deux plaques de base se rencontrent. Dans l'étape suivante, de nombreuses failles d'échelon se développent. Ce sont des fractures en forme de marches parallèles les unes aux autres qui sont tirées dans le sens de la longueur à mesure que la tension augmente jusqu'à ce qu'elles se rejoignent soudainement. Dans la dernière étape, ceux-ci se rejoignent pour former une seule faille finale. Cooke dit, « Nous étions très heureux de voir que certaines parties des défauts se sont éteintes au fur et à mesure de la réorganisation du système, et aussi que les irrégularités persistaient le long des failles."

Une découverte intéressante, mais ce n'est pas une surprise que, pour la plupart, tous les défauts soient passés par un processus similaire. Cooke dit, "Nous avons testé les différents extrêmes mais nous en sommes sortis avec une évolution commune qui est vraie pour tous. S'il n'y a pas déjà un défaut, alors vous voyez des défauts d'échelon, petites failles parallèles les unes aux autres mais formant un angle par rapport au cisaillement. Les détails de l'évolution des défauts à l'intérieur de ces extrêmes sont probablement le point le plus révélateur. Ce qui vous reste à la fin est une longue faille avec des segments abandonnés de chaque côté, c'est quelque chose que nous voyons sur le terrain tout le temps. C'est une belle confirmation que nos expériences en laboratoire reproduisent ce qui se passe à l'intérieur de la Terre."

Un autre aperçu, disent les chercheurs, résulte de la mesure du rendement cinématique ou géométrique, le pourcentage de déplacement appliqué exprimé en glissement sur les failles. « Une faille inefficace aura moins de glissement et plus de déformation autour des zones, " explique Cooke. " Nous pouvons le voir se produire dans les expériences et cela soutient l'idée que les défauts évoluent pour devenir efficaces et que la terre optimise le travail. C'est la Terre paresseuse; l'efficacité augmente même si la faute devient plus complexe."

Enfin le géologue ajoute :"Nous avons vu que lorsque les défauts finissent par s'enchaîner, ils ne font pas nécessairement une faute parfaitement droite. Cela me dit que des irrégularités peuvent persister le long des failles matures à cause du matériau. C'est un aperçu de la façon dont vous obtenez des irrégularités persistantes que nous voyons dans la vraie croûte terrestre. Les géologues structurels s'étonnent des irrégularités, car si les défauts évoluent pour minimiser le travail, alors tous les défauts devraient être rectilignes. Mais nous avons maintenant des preuves pour montrer que ces irrégularités persistent. Nous avons des failles irrégulières qui sont actives depuis des millions d'années."