Simuler un tremblement de terre à échelle miniature dans un laboratoire connu officieusement sous le nom de « soufflerie sismologique, " Les ingénieurs et les sismologues ont produit l'examen le plus complet à ce jour de la physique complexe des tremblements de terre destructeurs par frottement entraînant des failles de poussée.

Les séismes de poussée se produisent lorsqu'un côté d'une faille glisse sur ou sous l'autre côté. Les failles de poussée ont été le site de certains des plus grands tremblements de terre au monde, y compris le tremblement de terre de Tohoku en 2011 au large des côtes du Japon, qui a généré un tsunami qui a endommagé la centrale nucléaire de Fukushima.

Cependant, le mouvement ou les forces qui causent ces séismes ne peuvent pas être mesurés directement à la source, car une grande partie de l'action se déroule profondément à l'intérieur de la terre. Pour mieux les connaître, une équipe de chercheurs a créé et observé des tremblements de terre de faille de poussée dans une installation unique de « séisme de laboratoire » à Caltech.

"La simulation de tremblements de terre dans un laboratoire nous permet d'observer comment ces événements brefs et violents se développent et évoluent en "ralentissant" leur mouvement grâce à la photographie et à l'optique à grande vitesse, " dit Arès Rosakis, le professeur Theodore von Karman d'aéronautique et de génie mécanique, qui dirige l'installation et a introduit le concept de tremblements de terre de laboratoire avec l'ancien directeur du laboratoire de sismologie Caltech Hiroo Kanamori, John E. et Hazel S. Smits professeur de géophysique, Émérite.

Rosakis est l'auteur correspondant d'un article sur la nouvelle recherche qui a été publié par le Actes de l'Académie nationale des sciences le 25 août. Il a co-écrit cet article avec Nadia Lapusta, le Lawrence A. Hanson, Jr., Professeur de Génie Mécanique et de Géophysique, son collaborateur de longue date sur les problèmes à l'interface entre l'ingénierie et la science sismique ; l'ancien chercheur postdoctoral Caltech Yuval Tal, actuellement professeur assistant à l'Université Ben Gourion du Néguev en Israël; et le chercheur de Caltech Vito Rubino.

Pour créer un tremblement de terre en laboratoire, l'équipe a d'abord coupé en deux un bloc transparent d'un type de plastique connu sous le nom d'Homalite, qui a des propriétés de friction similaires à la roche. Ils assemblent ensuite les deux pièces sous pression et cisaillement, simulant une pression tectonique qui s'accumule lentement le long d'une ligne de faille. Prochain, ils ont placé un petit fil fusible à l'endroit sous une surface terrestre simulée où ils voulaient que le séisme prenne naissance. Le déclenchement du fusible a réduit la friction à cet endroit et a permis une rupture très rapide pour initier et propager la faille miniature vers la surface libre de la Terre, produisant des secousses intenses. Pendant ce temps, la technologie d'imagerie à grande vitesse a enregistré l'évolution des contraintes, et donc du coefficient de frottement, le long de la faille à mesure que la rupture approchait de la surface libre, un millionième de seconde à la fois.

La « soufflerie sismologique » existe depuis 1999, mais l'ajout de la corrélation d'images numériques (DIC) en 2015 a donné aux ingénieurs « une nouvelle paire d'yeux, " dit Rosakis. Le DIC mesure les changements infimes de l'emplacement de points individuels dans un matériau au fil du temps, indiquant comment la déformation et la contrainte évoluent dynamiquement dans tout le matériau lors d'un tremblement de terre simulé. Avec ces informations, Rosakis et ses collègues ont pu cartographier comment une rupture remonte une faille, interagit dynamiquement avec la surface du sol, et s'affecte même à travers des ondes à propagation dynamique générées par chaque mouvement.

Ils ont noté une évolution très rapide de la contrainte "normale aux défauts", qui est la force de compression qui maintient le défaut fermé. Il existe un certain nombre de raisons pour lesquelles la contrainte normale au défaut peut varier lorsque le défaut glisse. Dans le cas des séismes de faille de chevauchement, les chercheurs ont noté que la contrainte normale de faille passait par un cycle rapide d'amplitude croissante et décroissante, car les ondes émises par la rupture étaient ensuite réfléchies par la surface terrestre simulée comme un écho.

Parce que ce stress, qui maintient normalement un défaut verrouillé en place, changeait rapidement de force, il a altéré la résistance au glissement du défaut, connu sous le nom de mouvement de cisaillement. Lorsque la contrainte normale au défaut diminue, le défaut est moins serré en place et devient plus susceptible de glisser, provoquant un tremblement de terre.

Plus important encore, les chercheurs ont pu contester une hypothèse communément acceptée (mais également contestée) selon laquelle le frottement bloquant les plaques en place le long d'une faille est toujours proportionnel à la contrainte normale de faille. Ce qu'ils ont trouvé à la place, c'est que, comme la rupture interagit avec la surface de la terre, il y a un décalage important entre les changements de contrainte normale de défaut et la résistance au cisaillement qui en résulte, et les deux ne sont pas proportionnels à l'échelle de temps du processus de rupture.

"Cela implique la présence d'un mécanisme complexe dépendant de l'histoire régissant le frottement en présence d'une contrainte normale de faille rapide, qui sont caractéristiques des configurations de défaut de poussée, " dit Rosakis.

"Bien que l'écart entre les changements de contrainte normale et de friction ait été souligné par des études antérieures, l'importance de cet effet pour les séismes de poussée n'a pas été clairement établie, " ajoute Lapusta. "Nos mesures ont montré que l'effet est beaucoup plus important que ce à quoi on pouvait s'attendre sur la base d'études antérieures et nous a permis d'améliorer les lois de frottement existantes."

L'équipe espère que ces informations physiques sur la dynamique d'un tremblement de terre pourront aider les géoscientifiques à créer des modèles informatiques plus précis des ruptures sismiques se propageant le long des failles de chevauchement du monde réel.

"Obtenir la résistance de frottement et, Par conséquent, le mouvement simulé juste à côté de la surface de la terre est particulièrement important, puisqu'il influence de manière significative les secousses du sol ainsi que la génération du tsunami si la trace de la faille se trouve sous l'eau, " dit Lapusta. " En effet, de nombreux séismes destructeurs se produisent sous forme de ruptures de poussée dans les zones de subduction, provoquant parfois des tsunamis dévastateurs comme lors du tremblement de terre de Tohoku de magnitude 9,0 en 2011. »

« La loi de friction de la faille dépendant de l'histoire, ce qui est très difficile à déterminer, est la plus grande hypothèse de tout modélisateur, " dit Rosakis. " Maintenant, nous avons une autre pièce du puzzle épinglée. "

L'article s'intitule "Éclairer la physique du frottement dynamique à travers des tremblements de terre en laboratoire sur des failles de poussée".