Connaissance à l'échelle nanométrique des relations entre l'eau, la friction et la chimie minérale pourraient conduire à une meilleure compréhension de la dynamique sismique, les chercheurs ont déclaré dans une nouvelle étude. Des ingénieurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont utilisé des mesures de friction microscopiques pour confirmer que, dans les bonnes conditions, certaines roches peuvent se dissoudre et faire glisser des failles.

L'étude, publié dans la revue Communication Nature , examine de près comment l'eau et la calcite, un minéral très commun dans la croûte terrestre, interagissent à diverses pressions et compositions des eaux souterraines pour influencer les forces de friction le long des failles.

"L'eau est partout dans ces systèmes, " dit Rosa Espinosa-Marzal, professeur de génie civil et environnemental et co-auteur de l'étude. "Il y a de l'eau à la surface des minéraux et dans les espaces interstitiels entre les grains minéraux dans les roches. Cela est particulièrement vrai avec les roches contenant de la calcite en raison de l'affinité de l'eau avec le minéral."

Selon les chercheurs, d'autres études ont corrélé la présence d'eau avec le mouvement des failles et les tremblements de terre, mais le mécanisme exact restait insaisissable. Cette observation est particulièrement répandue dans les zones où se déroulent des opérations de fracturation hydraulique, un processus qui implique beaucoup d'eau.

L'étude se concentre sur les roches riches en calcite en présence de saumure (eaux souterraines salées d'origine naturelle) le long des surfaces de failles. Les surfaces rocheuses qui glissent les unes sur les autres le long des failles ne sont pas lisses. Les chercheurs se sont concentrés sur les minuscules imperfections ou irrégularités naturelles à la surface des roches, appelées aspérités, auquel le frottement et l'usure se produisent lorsque les deux surfaces glissent l'une sur l'autre.

"Les propriétés chimiques et physiques des roches faillées et les conditions mécaniques dans ces systèmes sont variables et complexes, ce qui rend difficile la prise en compte de chaque détail lorsque l'on essaie de répondre à ce type de questions, " dit Espinosa-Marzal. " Alors, pour aider à comprendre le rôle de l'eau dans la dynamique des failles, nous avons regardé à une échelle réduite, modèle simplifié en examinant des aspérités uniques sur des cristaux de calcite individuels."

Pour les expériences, l'équipe a immergé des cristaux de calcite dans des solutions de saumure à diverses concentrations et les a soumis à différentes pressions pour simuler une faille naturelle. Une fois les cristaux en équilibre avec la solution, ils ont utilisé un microscope à force atomique pour faire glisser un petit bras avec une pointe en silicium - pour simuler l'aspérité - à travers le cristal pour mesurer les changements de friction.

Dans la plupart des expériences, les chercheurs ont d'abord trouvé ce à quoi ils s'attendaient :à mesure que la pression appliquée sur les cristaux augmentait, il est devenu plus difficile de faire glisser la pointe sur la surface du cristal. Cependant, quand ils ont augmenté la pression jusqu'à un certain point et que la pointe a été déplacée assez lentement, la pointe a commencé à glisser plus facilement sur le cristal.

"Cela nous dit que quelque chose est arrivé à cette minuscule aspérité sous des pressions plus élevées qui a causé une diminution de la friction, " a déclaré l'étudiant diplômé et co-auteur Yjue Diao. " Le microscope à force atomique nous permet également d'imager la surface du cristal, et nous pouvons voir que la rainure a augmenté en taille, confirmant que la calcite s'était dissoute sous pression. Le minéral dissous et l'eau ont agi comme un bon lubrifiant, provoquant ainsi l'affaiblissement observé du contact à aspérité unique."

"Cela montre que des études comme celles-ci méritent une considération sérieuse dans les travaux futurs, ", a déclaré Espinosa-Marzal. Les chercheurs reconnaissent qu'il reste encore de nombreuses questions à traiter liées à cette recherche. Cependant, leurs travaux montrent que certaines interactions saumure-calcite, sous contrainte appliquée, induisent la dissolution et diminuent la force de frottement à l'échelle d'une seule aspérité.

"Nos recherches suggèrent également qu'il pourrait être possible d'atténuer le risque de tremblement de terre en modifiant délibérément la composition de la saumure dans les zones contenant des roches riches en calcite. Cette considération pourrait être bénéfique dans les zones où la fracturation a lieu, mais ce concept nécessite une enquête beaucoup plus approfondie, ", a déclaré Espinosa-Marzal.

"En tant que jeune scientifique travaillant à l'échelle nanométrique, Je n'ai jamais pensé que la dynamique des tremblements de terre serait le genre de chose que je rechercherais, " dit Diao. " Cependant, nous avons tellement appris sur les choses à l'échelle macro que des études à l'échelle nanométrique comme la nôtre peuvent révéler de nouvelles informations critiques sur de nombreux phénomènes naturels à grande échelle. »