Les tremblements de terre peuvent être de brusques rafales de maisons en ruine, énergie de flambement du sol lorsque des tranches de la croûte terrestre longtemps maintenues en place par la friction glissent et vacillent soudainement.

"Nous pensons généralement aux plaques de chaque côté d'une faille en mouvement, déformer, accumuler des contraintes et ensuite :Boum, un tremblement de terre se produit, " a déclaré Eric Dunham, géophysicien de l'Université de Stanford.

Mais plus bas, ces blocs de roche peuvent glisser régulièrement les uns sur les autres, rampant le long des fissures de la croûte terrestre à peu près à la vitesse à laquelle vos ongles poussent.

Une frontière existe entre la partie inférieure, partie rampante de la faille, et la partie supérieure qui peut rester bloquée pendant des siècles d'affilée. Depuis des décennies, les scientifiques se demandent ce qui contrôle cette frontière, ses mouvements et sa relation avec les grands tremblements de terre. La principale des inconnues est la façon dont le fluide et la pression migrent le long des failles, et comment cela fait glisser les défauts.

Un nouveau simulateur de fautes basé sur la physique développé par Dunham et ses collègues apporte quelques réponses. Le modèle montre comment les fluides ascendants par à-coups fragilisent progressivement la faille. Dans les décennies qui ont précédé les grands tremblements de terre, ils semblent propulser la frontière, ou profondeur de verrouillage, un mile ou deux vers le haut.

Essaims en migration

La recherche, publié le 24 septembre dans Communication Nature , suggère également qu'à mesure que les impulsions de fluides à haute pression se rapprochent de la surface, ils peuvent déclencher des essaims de tremblements de terre - des séries de tremblements de terre regroupés dans une zone locale, généralement sur une semaine environ. Le tremblement de ces essaims sismiques est souvent trop subtil pour que les gens le remarquent, mais pas toujours :un essaim près de l'extrémité sud de la faille de San Andreas en Californie en août 2020, par exemple, a produit un séisme de magnitude 4,6 suffisamment fort pour secouer les villes environnantes.

Chacun des tremblements de terre d'un essaim a sa propre séquence de répliques, par opposition à un grand choc principal suivi de nombreuses répliques. "Un essaim sismique implique souvent la migration de ces événements le long d'une faille dans une certaine direction, horizontalement ou verticalement, " a expliqué Dunham, auteur principal de l'article et professeur agrégé de géophysique à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Le simulateur décrit le fonctionnement de cette migration. Alors qu'une grande partie de la modélisation avancée des tremblements de terre des 20 dernières années s'est concentrée sur le rôle du frottement dans le déverrouillage des failles, le nouveau travail rend compte des interactions entre le fluide et la pression dans la zone de faille en utilisant un schéma simplifié, modèle bidimensionnel d'une faille qui coupe verticalement toute la croûte terrestre, similaire à la faille de San Andreas en Californie.

« Grâce à la modélisation informatique, nous avons pu identifier certaines des causes profondes du comportement défectueux, " a déclaré l'auteur principal Weiqiang Zhu, un étudiant diplômé en géophysique à Stanford. "Nous avons découvert que le flux et le reflux de la pression autour d'une faille peuvent jouer un rôle encore plus important que la friction pour dicter sa force."

Vannes souterraines

Les failles de la croûte terrestre sont toujours saturées de fluides, principalement de l'eau, mais de l'eau dans un état qui brouille les distinctions entre liquide et gaz. Certains de ces fluides proviennent du ventre de la Terre et migrent vers le haut; certains viennent d'en haut lorsque les précipitations s'infiltrent ou que les développeurs d'énergie injectent des fluides dans le cadre du pétrole, projets de gaz ou de géothermie. "L'augmentation de la pression de ce fluide peut pousser sur les parois de la faille, et faciliter le glissement de la faille, " dit Dunham. " Ou, si la pression diminue, qui crée une aspiration qui rapproche les murs et empêche le glissement."

Depuis des décennies, des études de roches déterrées dans des zones de failles ont révélé des fissures révélatrices, des veines remplies de minéraux et d'autres signes indiquant que la pression peut fluctuer énormément pendant et entre les grands tremblements de terre, conduisant les géologues à théoriser que l'eau et d'autres fluides jouent un rôle important dans le déclenchement des tremblements de terre et influencent le moment où les plus gros tremblements de terre frappent. "Les roches elles-mêmes nous disent que c'est un processus important, " a déclaré Dunham.

Plus récemment, les scientifiques ont documenté que l'injection de fluide liée aux opérations énergétiques peut conduire à des essaims de tremblements de terre. Les sismologues ont relié les puits d'évacuation des eaux usées de pétrole et de gaz, par exemple, à une augmentation spectaculaire des tremblements de terre dans certaines parties de l'Oklahoma à partir d'environ 2009. Et ils ont constaté que les essaims de tremblements de terre migrent le long des failles plus rapidement ou plus lentement dans différents environnements, que ce soit sous un volcan, autour d'une exploitation géothermique ou au sein de gisements de pétrole et de gaz, peut-être en raison de la grande variation des taux de production de fluide, Dunham a expliqué. Mais la modélisation n'avait pas encore démêlé le réseau de mécanismes physiques derrière les modèles observés.

Le travail de Dunham et Zhu s'appuie sur un concept de défauts en tant que vannes, que les géologues ont mis en avant dans les années 1990. "L'idée est que les fluides montent le long des failles par intermittence, même si ces fluides sont libérés ou injectés à un rythme constant, taux constant, " Dunham a expliqué. Dans les décennies à des milliers d'années entre les grands tremblements de terre, les dépôts minéraux et d'autres processus chimiques scellent la zone de faille.

Avec la vanne de défaut fermée, le fluide s'accumule et la pression monte, affaiblir la faille et la forcer à glisser. Parfois ce mouvement est trop léger pour générer des secousses au sol, mais il suffit de casser la roche et d'ouvrir la vanne, permettant aux fluides de reprendre leur ascension.

La nouvelle modélisation montre pour la première fois que lorsque ces impulsions se déplacent vers le haut le long de la faille, ils peuvent créer des essaims de tremblements de terre. "Le concept d'une vanne de défaut, et la libération intermittente de fluides, est une vieille idée, " a déclaré Dunham. " Mais l'apparition d'essaims de tremblements de terre dans nos simulations de vannes de faille était complètement inattendue. "

Prédictions, et leurs limites

Le modèle fait des prédictions quantitatives sur la vitesse à laquelle une impulsion de fluides à haute pression migre le long de la faille, ouvre les pores, fait glisser le défaut et déclenche certains phénomènes :modification de la profondeur de verrouillage, dans certains cas, et des mouvements de failles imperceptiblement lents ou des groupes de petits tremblements de terre dans d'autres. Ces prédictions peuvent ensuite être testées par rapport à la sismicité réelle le long d'une faille, en d'autres termes, quand et où les tremblements de terre de faible intensité ou au ralenti finissent par se produire.

Par exemple, un jeu de simulations, dans lequel le défaut a été réglé pour colmater et arrêter la migration du fluide dans les trois ou quatre mois, prédit un peu plus d'un pouce de glissement le long de la faille juste autour de la profondeur de verrouillage au cours d'une année, avec le cycle se répétant toutes les quelques années. Cette simulation particulière correspond étroitement aux modèles d'événements dits à glissement lent observés en Nouvelle-Zélande et au Japon, signe que les processus sous-jacents et les relations mathématiques intégrés dans l'algorithme sont ciblés. Pendant ce temps, des simulations d'étanchéité prolongées au fil des années ont entraîné une augmentation de la profondeur de verrouillage à mesure que les impulsions de pression montaient vers le haut.

Les changements dans la profondeur de verrouillage peuvent être estimés à partir des mesures GPS de la déformation de la surface de la Terre. Pourtant, la technologie n'est pas un prédicteur de tremblement de terre, a dit Dunham. Cela nécessiterait une connaissance plus complète des processus qui influencent le glissement de défaut, ainsi que des informations sur la géométrie de la faille particulière, stress, composition de la roche et pression du fluide, il expliqua, "à un niveau de détail tout simplement impossible, étant donné que la plupart de l'action se déroule à plusieurs kilomètres sous terre."

Plutôt, le modèle offre un moyen de comprendre les processus :comment les changements de pression du fluide provoquent le glissement des défauts; comment le glissement et le glissement d'une faille brisent la roche et la rendent plus perméable; et comment cette porosité accrue permet aux fluides de s'écouler plus facilement.

À l'avenir, cette compréhension pourrait aider à éclairer les évaluations des risques liés à l'injection de fluides dans la Terre. Selon Dunham, "Les leçons que nous apprenons sur la façon dont les couples d'écoulement de fluide avec le glissement par friction sont applicables aux séismes naturels ainsi qu'aux séismes induits qui se produisent dans les réservoirs de pétrole et de gaz."