Des chercheurs du Laboratoire de mécanique des solides de l'EPFL et du Weizmann Institute of Science ont modélisé le début du glissement entre deux corps en contact frictionnel. Leur travail, une avancée majeure dans l'étude de la rupture par friction, pourrait nous donner une meilleure compréhension des tremblements de terre, y compris de la distance et de la vitesse à laquelle ils se déplacent.

Il est encore impossible de déterminer où et quand un tremblement de terre se produira. Par exemple, La Californie est depuis des années sous la menace du « Big One, " et plus près de chez nous, une récente série de petits chocs dans le canton du Valais début novembre a fait craindre un séisme majeur dans la région. Bien que nous ne puissions pas prévoir les tremblements de terre, des chercheurs de l'EPFL et du Weizmann Institute of Science en Israël ont fait un pas en avant dans l'évaluation de la dynamique des tremblements de terre grâce à une meilleure compréhension de la façon dont le glissement de friction - le mouvement relatif de deux corps en contact sous contrainte de cisaillement, comme les plaques tectoniques — commence. Leurs travaux ont été publiés en deux parties complémentaires, dans Examen physique X et Lettres des sciences de la Terre et des planètes .

« Nous voulions comprendre ce qui se passe lorsque deux corps en contact frictionnel se mettent soudainement en mouvement suite à une augmentation progressive de la contrainte de cisaillement :la façon dont ils commencent à glisser déterminera la vitesse et l'ampleur du mouvement et, potentiellement, la gravité d'un tremblement de terre, " explique Fabian Barras, un assistant-doctorant au Laboratoire de Mécanique des Solides Informatiques (LSMS) de l'EPFL lors de cette recherche, et premier auteur des deux articles.

Parallèles entre le front de glissement et la fracture

La manière dont le glissement par friction commence entre deux corps n'est pas aussi uniforme qu'il y paraît. Des caméras ultrarapides montrent que le glissement commence à un point précis puis se propage au reste de la surface. "Cette dynamique de front de glissement est très similaire à la façon dont une fissure se propage dans un matériau cassant, " dit Barras. La première publication des chercheurs examine les similitudes entre la rupture par friction et la rupture dynamique. " Bien que la physique d'une fissure et d'un front de glissement ne soit pas exactement la même, ils se propagent tous les deux en raison d'une baisse de la capacité de charge du matériau derrière la rupture. En utilisant l'analogie avec la rupture dynamique, nous avons étudié l'origine de la chute de contrainte de frottement observée dans le sillage d'un front de glissement lorsque l'interface commence à se déplacer."

Les chercheurs se sont ensuite penchés sur la concentration des contraintes au niveau du front de glissement et ont utilisé des outils théoriques du domaine de la dynamique de rupture pour étudier le bilan énergétique. Contrairement à la situation avec une fissure, la friction continue de dissiper l'énergie après le début du glissement. Lors d'un tremblement de terre, seule une partie de l'énergie disponible est utilisée pour propager le front de rupture, et le reste se dissipe par frottement, principalement sous forme de chaleur. C'est ici que les chercheurs ont pu réviser les modèles précédemment utilisés et mieux comprendre combien d'énergie de frottement est impliquée dans la propagation du front de rupture.

Ils ont utilisé des ordinateurs performants pour simuler des ruptures sismiques basées sur des lois génériques de frottement, qui reproduisent l'évolution de la force de frottement en fonction de la vitesse de glissement mesurée entre différents types de matériaux. En utilisant la théorie de la rupture dynamique et en l'appliquant au frottement, les chercheurs ont pu évaluer les expériences de laboratoire et s'assurer que leurs prédictions étaient correctes. « Nous avons pu valider nos prédictions sur une large gamme de vitesses de rupture observées expérimentalement. Les modèles théoriques que nous avons développés pourraient à l'avenir nous aider à mieux comprendre pourquoi certains séismes dans la nature sont rapides et violents, tandis que d'autres se propagent lentement et se produisent sur de plus longues périodes, " ajoute Barras.

Géothermie profonde et sismicité induite

Ces avancées de la recherche fondamentale pourraient un jour être appliquées à des modèles plus complexes, tels que ceux représentant les conditions le long des failles tectoniques, surtout là où les fluides sont naturellement présents ou injectés dans le sol. "Aujourd'hui, plusieurs technologies prometteuses dans le cadre de la transition énergétique, comme la géothermie profonde, reposent sur l'injection souterraine de fluides. Il est important de mieux comprendre comment ces injections affectent l'activité sismique. J'espère utiliser les outils développés au cours de mon doctorat. pour étudier cet impact, " dit Barras.

"Ce travail montre comment les recherches développées dans un laboratoire de génie civil peuvent avoir des implications très intéressantes pour la science sismique et conduire à des publications de pointe dans des domaines tels que la physique, " dit le professeur Jean-François Molinari, le responsable du Laboratoire de mécanique des solides de calcul de l'EPFL. Fabian Barras a également reçu une bourse du Fonds national suisse de la recherche scientifique pour poursuivre ses recherches dans un laboratoire spécialisé en géologie des failles de l'Université d'Oslo.