Le mouillage du sol génère d'un tremblement de terre n'est qu'une fraction de l'énergie totale qu'un tremblement de terre libère. Un tremblement de terre peut également générer un éclair de chaleur, ainsi qu'une fracturation en forme de domino des roches souterraines. Mais la quantité d'énergie entre dans chacun de ces trois processus est extrêmement difficile, voire impossible, à mesurer sur le terrain.
Maintenant, les géologues du MIT ont retracé l'énergie qui est libérée par « Quakes de laboratoire »—Les analogues miniatures des tremblements de terre naturels qui sont soigneusement déclenchés en laboratoire contrôlé. Pour la première fois, ils ont quantifié le budget énergétique complet de ces tremblements de terre, en termes de fraction d'énergie qui va dans la chaleur, les tremblements et la fracturation.
Ils ont constaté que seulement environ 10% de l'énergie d'un quake de laboratoire provoque des tremblements physiques. Une fraction encore plus petite – moins de 1% – se lève pour briser la roche et créer de nouvelles surfaces. La partie écrasante de l'énergie d'un tremblement de terre – sur la moyenne de 80% – s'accompagne de la région immédiate autour de l'épicentre d'un séisme. En fait, les chercheurs ont observé qu'un quake de laboratoire peut produire un pic de température suffisamment chaud pour faire fondre les matériaux environnants et le transformer brièvement en fonte liquide.
Les géologues ont également constaté que le budget énergétique d'un séisme dépend de l'histoire de la déformation d'une région – le degré auquel les roches ont été décalées et perturbées par les mouvements tectoniques précédents. Les fractions de l'énergie du tremblement de terre qui produisent la chaleur, les tremblements et la fracturation des rochers peuvent se déplacer en fonction de ce que la région a connu dans le passé.
« L'histoire de la déformation – ce dont le rocher se souvient – influence vraiment à quel point un tremblement de terre destructeur pourrait être, » dit Daniel Ortega-Arroyo, étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, des sciences atmosphériques et planétaires (EAP). « Cette histoire affecte une grande partie des propriétés matérielles dans la roche, et elle dicte dans une certaine mesure la façon dont elle va glisser. »
Les tremblements de terre de laboratoire de l'équipe sont un analogue simplifié de ce qui se produit lors d'un tremblement de terre naturel. En bas de la route, leurs résultats pourraient aider les sismologues à prédire la probabilité de tremblements de terre dans des régions sujettes aux événements sismiques. Par exemple, si les scientifiques ont une idée de la quantité de tremblement d'un tremblement de terre généré dans le passé, ils pourraient être en mesure d'estimer le degré auquel l'énergie du séisme a également affecté les rochers profondément sous terre en les fondant ou en les séparant. Cela pourrait à son tour révéler à quel point la région est plus ou moins vulnérable aux futurs tremblements de terre.
« Nous ne pourrions jamais reproduire la complexité de la Terre, nous devons donc isoler la physique de ce qui se passe, dans ces tremblements de terre, » dit Matěj Peč, professeur agrégé de géophysique au MIT. « Nous espérons comprendre ces processus et essayer de les extrapoler dans la nature. »
Peč (prononcé « Picorer ») et Ortega-Arroyo ont rapporté leurs résultats le 28 août dans le journal Agu avancées. Leurs co-auteurs du MIT sont Hoagy O'Ghaffari et Camilla Cattania, ainsi que Zheng Gong et Roger Fu à l'Université Harvard et Markus Ohl et Oliver Plümper à l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas.
Sous la surface
Les tremblements de terre sont entraînés par l'énergie qui est stockée dans des rochers sur des millions d'années. Alors que les plaques tectoniques se brossent lentement, le stress s'accumule à travers la croûte. Lorsque des rochers sont poussés devant leur résistance matérielle, ils peuvent soudainement glisser le long d'une zone étroite, créant une faille géologique. Alors que les rochers glissent de chaque côté de la faille, ils produisent des ondes sismiques qui s'rochet vers l'extérieur et vers le haut.
Nous percevons l'énergie d'un tremblement de terre principalement sous forme de tremblements de terre, qui peuvent être mesurés à l'aide de sismomètres et d'autres instruments au sol. Mais les deux autres formes majeures de l'énergie d'un séisme – la fracturation de la chauffage et de la clandestinité – sont largement inaccessibles avec les technologies actuelles.
« Contrairement à la météo, où nous pouvons voir les modèles quotidiens et mesurer un certain nombre de variables pertinentes, il est très difficile de le faire très profondément dans la terre, » Ortega-Arroyo dit. « Nous ne savons pas ce qui arrive aux rochers eux-mêmes, et les échelles de temps sur lesquelles les tremblements de terre se répètent dans une zone de faille se trouvent sur les échelles de temps du siècle à millenia, ce qui rend les prévisions réalisables difficiles. »
Pour avoir une idée de la façon dont l'énergie d'un tremblement de terre est partitionnée et de la façon dont ce budget énergétique pourrait affecter le risque sismique d'une région, lui et Peč sont entrés dans le laboratoire. Au cours des sept dernières années, le groupe de Peč au MIT a développé des méthodes et des instruments pour simuler des événements sismiques, à l'échelle à l'échelle, dans le but de comprendre comment les tremblements de terre à la macroscale peuvent se jouer.
« Nous nous concentrons sur ce qui se passe à une très petite échelle, où nous pouvons contrôler de nombreux aspects de l'échec et essayer de le comprendre avant de pouvoir faire toute mise à l'échelle de la nature, » Ortega-Arroyo dit.
Micro-formes
Pour leur nouvelle étude, l'équipe a généré des tremblements de terre de laboratoire miniature qui simulent un glissement sismique de rochers le long d'une zone de faille. Ils ont travaillé avec de petits échantillons de granit, qui sont représentatifs des roches dans la couche sismogène – la région géologique de la croûte continentale où proviennent généralement des tremblements de terre. Ils mettent en œuvre le granit en une fine poudre et mélangent le granit écrasé avec une poudre beaucoup plus fine de particules magnétiques, qu'ils ont utilisés comme une sorte de jauge de température interne. (La résistance au champ magnétique d'une particule changera en réponse à une fluctuation de température.)
Les chercheurs ont placé des échantillons de granit en poudre – à chaque environ 10 millimètres carrés et 1 millimètre d'éclairage – entre deux petits pistons et ont enveloppé l'ensemble dans une veste en or. Ils ont ensuite appliqué un champ magnétique fort pour orienter les particules magnétiques de la poudre dans la même direction initiale et à la même force de champ. Ils ont estimé que tout changement dans l'orientation des particules et la force du champ par la suite devrait être un signe de la quantité de chaleur que cette région a connu à la suite de tout événement sismique.
Une fois les échantillons préparés, l'équipe les a placés un à la fois dans un appareil sur mesure que les chercheurs ont réglé pour appliquer une pression croissante, semblable aux pressions que Rocks éprouvent dans la couche de sismogène de la Terre, à environ 10 à 20 kilomètres sous la surface. Ils ont utilisé des capteurs piézoélectriques sur mesure, développés par le co-auteur O'Ghaffari, qu'ils ont attaché à chaque extrémité d'un échantillon pour mesurer toute secousse qui s'est produite à mesure qu'ils ont augmenté la contrainte de l'échantillon.
Ils ont observé qu'à certains contraintes, certains échantillons ont glissé, produisant un événement sismique microscopique similaire à un tremblement de terre. En analysant les particules magnétiques dans les échantillons après coup, ils ont obtenu une estimation de la quantité de chaque échantillon chauffé temporairement – une méthode développée en collaboration avec le laboratoire de Roger Fu à l'Université Harvard.
Ils ont également estimé la quantité de tremblement de chaque échantillon, en utilisant des mesures du capteur piézoélectrique et des modèles numériques. Les chercheurs ont également examiné chaque échantillon au microscope, à différentes grosses, pour évaluer comment la taille des grains de granit a changé – que ce soit et combien de grains se sont brisés en morceaux plus petits, par exemple.
D'après toutes ces mesures, l'équipe a pu estimer le budget énergétique de chaque séisme de laboratoire. En moyenne, ils ont constaté qu'environ 80% de l'énergie d'un tremblement de terre se déroule dans la chaleur, tandis que 10% génère des tremblements, et moins de 1% entre en fracturation rocheuse ou créant de nouvelles surfaces de particules plus petites.
« Dans certains cas, nous avons vu que, près de la faille, l'échantillon est passé de la température ambiante à 1 200 ° C en microsecondes, puis s'est immédiatement refroidi une fois que le mouvement s'est arrêté, » Ortega-Arroyo dit. « Et dans un échantillon, nous avons vu la faille se déplacer d'environ 100 microns, ce qui implique des vitesses de glissement essentiellement environ 10 mètres par seconde. Il bouge très vite, bien qu'il ne dure pas très longtemps. »
Les chercheurs soupçonnent que des processus similaires se déroulent dans des tremblements de terre réels à l'échelle kilomètre.
« Nos expériences offrent une approche intégrée qui offre l'une des vues les plus complètes de la physique des ruptures de tremblement de terre dans les rochers à ce jour, » Dit Peč. « Cela fournira des indices sur la façon d'améliorer nos modèles de tremblement de terre actuels et l'atténuation des risques naturels. »
