Les chercheurs ont développé un modèle de tremblement de terre de laboratoire qui relie la zone de contact réelle microscopique entre les surfaces de défaut à la possibilité de séismes. Publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesCette percée démontre le lien entre le frottement microscopique et les tremblements de terre, offrant de nouvelles perspectives sur la mécanique des tremblements de terre et la prédiction potentielle.
« Nous avons essentiellement ouvert une fenêtre au cœur de la mécanique des tremblements de terre », a déclaré Sylvain Barbot, professeur agrégé de sciences de la Terre au USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences et chercheur principal de l'étude.
« En regardant comment la véritable zone de contact entre les surfaces de défaut évolue pendant le cycle du tremblement de terre, nous pouvons maintenant expliquer à la fois la lente accumulation de contrainte dans les défauts et la rupture rapide qui suit. En fin de compte, cela pourrait conduire à de nouvelles approches pour surveiller et prédire la nucléation du tremblement de terre à des premiers stades. »
Pendant des décennies, les scientifiques se sont appuyés sur des lois empiriques de «taux de frottement» pour modéliser les tremblements de terre – des descriptions mathématiques qui fonctionnent bien mais n'expliquent pas les mécanismes physiques sous-jacents. « Notre modèle révèle ce qui se passe réellement à l'interface de défaut pendant un cycle de tremblement de terre. »
Barbot dit que la découverte est un concept trompeusement simple: « Lorsque deux surfaces rugueuses se glissent les unes contre les autres, elles ne font que contacter les minuscules jonctions isolées couvrant une fraction de la surface totale. » Cette « zone réelle de contact » – invisible à l'œil mais mesurable par le biais de techniques optiques – se rend comme la variable d'état clé qui contrôle le comportement des tremblements de terre.
Treatoires de laboratoire: allumer les tremblements de terre en temps réel
L'étude utilise des matériaux acryliques transparents qui ont permis aux chercheurs de regarder littéralement les ruptures des tremblements de terre se dérouler en temps réel. En utilisant des caméras à grande vitesse et des mesures optiques, l'équipe a suivi comment la transmission de la lumière LED a changé à mesure que les jonctions de contact se sont formées, ont grandi et ont été détruites pendant les tremblements de terre de laboratoire.
« Nous pouvons littéralement regarder la zone de contact évoluer alors que les ruptures se propagent », a déclaré Barbot. « Pendant les ruptures rapides, nous voyons environ 30% de la zone de contact disparaître en millisecondes – un affaiblissement dramatique qui entraîne le tremblement de terre. »
Les résultats du laboratoire ont révélé une relation précédemment cachée: la « variable d'état » empirique utilisée dans les modèles de tremblement de terre standard pendant des décennies représente la zone réelle de contact entre les surfaces de défaut. Cette découverte fournit la première interprétation physique d'un concept mathématique qui est au cœur des sciences des tremblements de terre depuis les années 1970.
De la simulation à la prédiction
Les chercheurs ont analysé 26 scénarios de tremblement de terre simulés différents et ont constaté que la relation entre la vitesse de rupture et l'énergie de fracture suit les prédictions de la mécanique de fracture élastique linéaire. Les simulations informatiques de l'équipe ont reproduit avec succès les tremblements de terre de laboratoire lents et rapides, correspondant non seulement aux vitesses de rupture et aux chutes de contrainte, mais aussi la quantité de lumière transmise à travers l'interface de défaut pendant les ruptures.
Au fur et à mesure que les zones de contact changent pendant le cycle du tremblement de terre, ils affectent plusieurs propriétés mesurables, notamment la conductivité électrique, la perméabilité hydraulique et la transmission des ondes sismiques. Étant donné que la surface réelle de contact affecte plusieurs propriétés physiques des zones de faille, la surveillance continue de ces proxys pendant les cycles de tremblement de terre pourrait fournir de nouvelles informations sur le comportement des failles.
Les implications s'étendent bien au-delà de la compréhension académique et des expériences de laboratoire. La recherche suggère que la surveillance de l'état physique des contacts de défaut pourrait fournir de nouveaux outils pour les systèmes de tremblement de terre à court terme et potentiellement pour une prédiction de tremblement de terre fiable en utilisant la conductivité électrique de la faille.
« Si nous pouvons surveiller ces propriétés en continu sur les failles naturelles, nous pourrions détecter les premiers stades de la nucléation du tremblement de terre », a expliqué Barbot. « Cela pourrait conduire à de nouvelles approches pour surveiller la nucléation du tremblement de terre aux premiers stades, bien avant que les ondes sismiques ne soient rayonnées. »
En avant
Les chercheurs prévoient d'étendre leurs résultats en dehors des conditions de laboratoire contrôlées. Barbot a expliqué que le modèle de l'étude fournit le fondement physique de la compréhension de l'évolution des propriétés des failles pendant les cycles sismiques.
« Imaginez un avenir où nous pouvons détecter des changements subtils dans les conditions de défaut avant un tremblement de terre », a déclaré Barbot. « C'est le potentiel à long terme de ce travail. »
En plus de Barbot, Baoning Wu, anciennement à l'USC et maintenant à l'Université de Californie à San Diego, est l'auteur de l'étude.
