En simulant des tremblements de terre en laboratoire, les ingénieurs de Caltech ont documenté l'évolution du frottement lors d'un tremblement de terre, en mesurant ce qui ne pouvait être qu'inférieur, et faire la lumière sur l'une des plus grandes inconnues de la modélisation des tremblements de terre.

Avant un tremblement de terre, le frottement statique permet de maintenir les deux côtés d'une faille immobiles et pressés l'un contre l'autre. Lors du passage d'une rupture sismique, cette friction devient dynamique lorsque les deux côtés de la faille se croisent. Le frottement dynamique évolue tout au long d'un séisme, affectant combien et à quelle vitesse le sol va trembler et donc, le plus important, la destructivité du tremblement de terre.

"La friction joue un rôle clé dans la façon dont les ruptures décompressent les failles de la croûte terrestre, " dit Vito Rubino, chercheur à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées (EAS) de Caltech. "Les hypothèses sur le frottement dynamique affectent un large éventail de prédictions scientifiques sur les tremblements de terre, y compris à quelle vitesse les ruptures se produiront, la nature des secousses du sol, et les niveaux de contraintes résiduelles sur les failles. Pourtant, la nature précise du frottement dynamique reste l'une des plus grandes inconnues de la science des tremblements de terre."

Précédemment, on croyait communément que l'évolution du frottement dynamique était principalement régie par le glissement de la faille en chaque point au fur et à mesure qu'une rupture se produisait, c'est-à-dire par la distance relative qu'un côté d'une faille glisse devant l'autre pendant le glissement dynamique. Analyser des tremblements de terre simulés en laboratoire, l'équipe a plutôt découvert que l'historique des glissements est important, mais que le facteur clé à long terme est en fait la vitesse de glissement, et pas seulement jusqu'où la faille glisse, mais à quelle vitesse.

Rubino est l'auteur principal d'un article sur les découvertes de l'équipe qui a été publié dans Communication Nature le 29 juin. Il a collaboré avec Ares Rosakis de Caltech, le professeur Theodore von Kármán d'aéronautique et de génie mécanique à l'EAS, et Nadia Lapusta, professeur de génie mécanique et géophysique, qui a des nominations conjointes avec l'EAS et la division Caltech des sciences géologiques et planétaires.

L'équipe a mené la recherche dans une installation de Caltech, réalisé par Rosakis, qui a été officieusement surnommée la « soufflerie sismologique ». Dans l'établissement, les chercheurs utilisent des diagnostics optiques avancés à grande vitesse et d'autres techniques pour étudier comment se produisent les ruptures sismiques.

"Notre installation unique nous permet d'étudier les lois de frottement dynamique en suivant les individus, ruptures de cisaillement rapides et enregistrement du frottement le long de leurs faces de glissement en temps réel, " dit Rosakis. " Cela nous permet pour la première fois d'étudier le frottement par points et sans avoir à supposer que le glissement se produit uniformément, comme cela se fait dans les études de frottement classiques, " ajoute Rosakis.

Pour simuler un tremblement de terre en laboratoire, les chercheurs ont d'abord coupé en deux un bloc transparent d'un type de plastique connu sous le nom d'homalite, qui a des propriétés mécaniques similaires à la roche. Ils assemblent ensuite les deux pièces sous pression, simuler le frottement statique qui s'accumule le long d'une ligne de faille. Prochain, ils ont placé un petit fil fusible nickel-chrome à l'endroit où ils voulaient que l'épicentre du séisme soit. Le déclenchement du fusible a produit une libération de pression locale, qui a réduit la friction à cet endroit, et a permis à une rupture très rapide de propager la faille miniature.

Dans cette étude, l'équipe a enregistré ces tremblements de terre simulés à l'aide d'une nouvelle méthode de diagnostic qui combine la photographie à grande vitesse (à 2 millions d'images par seconde) avec une technique appelée corrélation d'images numériques, dans lequel les images individuelles sont comparées et contrastées les unes avec les autres et les changements entre ces images - indiquant le mouvement - sont suivis avec une précision inférieure au pixel.

"Quelques modèles numériques de rupture sismique, y compris ceux développés dans mon groupe à Caltech, ont utilisé des lois de frottement avec dépendance à la vitesse de glissement, basé sur une collection d'expériences et de théories de la mécanique des roches. Il est gratifiant de voir ces formulations validées par les ruptures spontanées de mini-séisme dans notre étude, " dit Lapusta.

Dans les travaux futurs, l'équipe prévoit d'utiliser ses observations pour améliorer les modèles mathématiques existants sur la nature du frottement dynamique et pour aider à en créer de nouveaux qui représentent mieux les observations expérimentales ; ces nouveaux modèles amélioreraient les simulations informatiques des tremblements de terre.

L'étude s'intitule « Comprendre la friction dynamique à travers des tremblements de terre en laboratoire à évolution spontanée ».