Le sous-sol de la Terre est un endroit extrêmement actif, où les mouvements et frottements des plaques profondément sous terre façonnent notre paysage et régissent l'intensité des aléas au dessus. Alors que les mouvements de la Terre lors des tremblements de terre et des éruptions volcaniques ont été enregistrés par des instruments délicats, analysés par des chercheurs et contraints par des équations mathématiques, ils ne racontent pas toute l'histoire des plaques mouvantes sous nos pieds.

Au cours des deux dernières décennies, l'avènement du système de positionnement global, comprenant des récepteurs dotés de capteurs extrêmement sensibles qui capturent des millimètres de mouvement, a sensibilisé les scientifiques aux phénomènes sismiques qui ont été difficiles à démêler. Parmi eux se trouvent des événements dits de glissement lent, ou des tremblements de terre lents – des glissements qui se produisent sur des semaines à un moment inconnu des humains à la surface.

Ces événements de glissement lent se produisent partout dans le monde et contribuent peut-être à déclencher des tremblements de terre plus importants. Les plus grands événements de glissement lent se produisent dans les zones de subduction, où une plaque tectonique plonge sous une autre, formant finalement des montagnes et des volcans sur des millions d'années. Nouvelles simulations informatiques produites par des chercheurs de l'Université de Stanford et publiées en ligne le 15 juin dans le Journal de la mécanique et de la physique des solides peut expliquer ces mouvements cachés.

"Le glissement lent est un phénomène tellement intrigant. Les événements de glissement lent sont à la fois si répandus et vraiment si inexpliqués qu'ils sont un casse-tête qui se dresse devant nous en tant que scientifiques que nous voulons tous résoudre, " a déclaré le co-auteur de l'étude Eric Dunham, professeur agrégé de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth). "Nous connaissons le glissement lent depuis près de 20 ans et nous ne comprenons toujours pas très bien pourquoi cela se produit."

Furtif mais fort

Ces événements sont particulièrement difficiles à expliquer en raison de leur nature instable mais lente. Le défaut ne glisse pas régulièrement mais au contraire, glissant périodiquement, accélère, pourtant n'atteint jamais le point où il envoie des ondes sismiques assez grandes pour que les humains puissent les détecter.

Malgré leur nature furtive, les événements de glissement lent peuvent s'additionner. Dans un ruisseau de glace en Antarctique, les événements de glissement lent se produisent deux fois par jour, durent 30 minutes et sont équivalents à des séismes de magnitude 7,0, a dit Dunham.

Les chercheurs pensent que les changements de friction expliquent la rapidité avec laquelle la roche de chaque côté de la faille glisse. Dans cet esprit, ils ont supposé que les événements de glissement lent ont commencé comme des tremblements de terre, avec un type de frottement connu sous le nom d'affaiblissement de vitesse qui rend le glissement fondamentalement instable. Mais de nombreuses expériences de friction en laboratoire contredisaient cette idée. Au lieu, ils avaient découvert que les roches des régions à glissement lent présentaient un type de friction plus stable connu sous le nom de renforcement du taux, largement pensé pour produire un glissement stable. Les nouvelles simulations informatiques ont résolu cette incohérence en montrant comment un glissement lent peut survenir avec un frottement renforçant la vitesse d'apparence contraire.

"Une poignée d'études ont montré qu'il existe des moyens de déstabiliser la friction qui renforce le taux. Cependant, jusqu'à notre papier, personne n'avait réalisé que si vous simuliez ces instabilités, ils se transforment en fait en glissement lent, ils ne se transforment pas en tremblements de terre, " selon l'auteur principal Elias Heimisson, un doctorant à Stanford Earth. "Nous avons également identifié un nouveau mécanisme pour générer des instabilités de glissement lent."

Lois de la physique

Le groupe de recherche de Dunham aborde les questions sans réponse sur la Terre en considérant tous les processus physiques possibles qui pourraient être en jeu. Dans ce cas, les failles se produisent dans les roches saturées en fluide, en leur donnant ce qu'on appelle une nature poroélastique dans laquelle les pores permettent à la roche de se dilater et de se contracter, qui modifie la pression du fluide. Le groupe était curieux de savoir comment ces changements de pression peuvent modifier la résistance de frottement sur les failles.

"Dans ce cas, nous n'avons pas commencé ce projet pour expliquer les événements de glissement lent - nous avons commencé parce que nous savions que les roches ont cette nature poroélastique et nous voulions voir quelles conséquences cela avait, " a déclaré Dunham. "Nous n'avons jamais pensé que cela donnerait lieu à des événements de glissement lent et nous n'avons jamais pensé que cela déstabiliserait les failles avec ce type de friction."

Avec ces nouvelles simulations qui rendent compte de la nature poreuse de la roche, le groupe a découvert que lorsque les roches sont comprimées et que les fluides ne peuvent pas s'échapper, la pression augmente. Cette augmentation de pression réduit la friction, conduisant à un événement de glissement lent.

"La théorie est de haut niveau, " a déclaré Heimisson. "Nous voyons ces choses intéressantes lorsque vous tenez compte de la poroélasticité et les gens pourraient vouloir l'utiliser plus largement dans les modèles de cycles sismiques ou de tremblements de terre spécifiques."

Heimisson créera une simulation 3D basée sur cette théorie en tant que chercheur postdoctoral au California Institute of Technology.