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Observation inobservable: les modèles prédisent les origines mécaniques des tremblements de terre

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Les ingénieurs de l’Université Duke ont conçu un modèle qui peut prédire les premiers comportements mécaniques et les origines d’un tremblement de terre dans plusieurs types de roches. Le modèle fournit de nouvelles informations sur des phénomènes inobservables qui se produisent à des kilomètres sous la surface de la Terre sous des pressions et des températures incroyables, et pourrait aider les chercheurs à mieux prédire les tremblements de terre – ou même, du moins théoriquement, tenter de les arrêter.

Les résultats sont publiés en ligne le 17 janvier dans la revue Nature Communications.

“Les tremblements de terre proviennent de lignes de faille profondément souterraines où des conditions extrêmes peuvent provoquer des réactions chimiques et des transitions de phase qui affectent le frottement entre les roches lorsqu’elles se déplacent les unes contre les autres”, a déclaré Hadrien Rattez, chercheur en génie civil et environnemental chez Duke. «Notre modèle est le premier qui peut reproduire avec précision la diminution de la friction à mesure que la vitesse de glissement de la roche augmente et que tous ces phénomènes mécaniques se déclenchent.»

Pendant trois décennies, les chercheurs ont construit des machines pour simuler les conditions d’une faille en poussant et en tordant deux disques de roche l’un contre l’autre. Ces expériences peuvent atteindre des pressions allant jusqu’à 1450 livres par pouce carré et des vitesses d’un mètre par seconde, ce qui est le plus rapide déplacement des roches souterraines. Pour un point de référence géologique, la plaque tectonique du Pacifique se déplace à environ 0,0000000000073 mètre par seconde.

“En termes de mouvement du sol, ces vitesses d’un mètre par seconde sont incroyablement rapides”, a déclaré Manolis Veveakis, professeur adjoint de génie civil et environnemental à Duke. «Et rappelez-vous que la friction est synonyme de résistance. Donc, si la résistance tombe à zéro, l’objet se déplacera brusquement. Ceci est un tremblement de terre. “

Dans ces expériences, la surface des roches commence à se transformer en une sorte de gel ou à fondre, abaissant le coefficient de frottement entre elles et facilitant leur mouvement. Il est bien établi que lorsque la vitesse de ces roches les unes par rapport aux autres augmente à un mètre par seconde, le frottement entre elles chute comme un rocher, pourrait-on dire, peu importe le type. Mais jusqu’à présent, personne n’avait créé de modèle capable de reproduire fidèlement ces comportements.

Dans l’article, Rattez et Veveakis décrivent un modèle de calcul qui prend en compte le bilan énergétique de tous les processus mécaniques compliqués qui se produisent pendant le mouvement de la faute. Ils intègrent des mécanismes d’affaiblissement causés par la chaleur qui sont communs à tous les types de roche, tels que la décomposition minérale, la lubrification des nanoparticules et la fusion lorsque la roche subit un changement de phase.

La roche en fusion suinte entre les disques de roche pressés et tournés les uns contre les autresAprès avoir exécuté toutes leurs simulations, les chercheurs ont constaté que leur nouveau modèle prédit avec précision la chute de friction associée à toute la gamme de vitesses de faille à partir d’expériences sur tous les types de roches disponibles, y compris l’halite, le silicate et le quartz.

Parce que le modèle fonctionne bien pour tant de types de roches différents, il semble que ce soit un modèle général qui peut être appliqué à la plupart des situations, ce qui peut révéler de nouvelles informations sur les origines des tremblements de terre. Bien que les chercheurs ne puissent pas recréer entièrement les conditions d’une faille, des modèles comme celui-ci peuvent les aider à extrapoler à des pressions et des températures plus élevées pour mieux comprendre ce qui se passe à mesure qu’une faille s’accumule vers un tremblement de terre.

“Le modèle peut donner un sens physique à des observations que nous ne pouvons généralement pas comprendre”, a déclaré Rattez. «Il fournit de nombreuses informations sur les mécanismes physiques impliqués, comme l’énergie requise pour les différentes transitions de phase.»

“Nous ne pouvons toujours pas prédire les tremblements de terre, mais de telles études sont des mesures nécessaires que nous devons prendre pour y arriver”, a déclaré Veveakis. «Et en théorie, si nous pouvions interférer avec un défaut, nous pourrions suivre sa composition et intervenir avant qu’il ne devienne instable. C’est ce que nous faisons avec les glissements de terrain. Mais, bien sûr, les lignes de faille sont à 20 miles sous terre, et nous n’avons actuellement pas la capacité de forage pour y aller. “

Ce travail a été soutenu par le Southern California Earthquake Center (118062196) sous la National Science Foundation (EAR-1033462) et la United States Geological Survey (G12AC20038).

«La production de phases faibles et la génération de chaleur contrôlent le frottement des défauts lors du glissement sismique.» Hadrien Rattez & Manolis Veveakis. Nature Communications, 2020. DOI: 10.1038 / s41467-019-14252-5

/ Diffusion publique. Voir en entier ici.

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