Proposition de thèse 2015

Modélisation analogique du glissement sur les failles (CONCOURS CLOS)

Encadrants : Olivier Lengliné, MCF UdS (lengline{@}unistra.fr)
                       Jean Schmittbuhl, DR CNRS (Jean.Schmittbuhl{@}unistra.fr)

Lieu : Equipe Sismologie, IPGS, Strasbourg

Début : Septembre 2015

English abstract

La description précise du glissement sur les failles lors des différentes phases du cycle sismique reste limitée. Cette mauvaise estimation est en partie liée aux techniques d’imagerie qui utilisent la plupart du temps des observations de surface, c’est à dire loin de la zone de déformation en profondeur. Il en résulte une faible résolution du glissement sur la faille, typiquement supérieure au kilomètre. De plus la solution trouvée est souvent non-unique. Il est alors difficile de tirer des informations sur la mécanique du glissement à partir de ces observations limitées.

Dans les rares situations où une instrumentation dense et répétée a pu être utilisée pour quantifier le glissement sur les failles, il a été montré que ce glissement est loin d’être limité aux grandes échelles et présente de fortes hétérogénéités dans le temps et dans l’espace. Ces fluctuations semblent de plus être reliées aux propriétés de l’interface et plus particulièrement à sa topographie. Certaines zones des failles glissent de façon continue, tandis que d’autres sont bloquées. La notion de couplage sismique a ainsi été introduite pour rendre compte de ces variations spatiales du comportement du glissement le long de l’interface. Bien que cette notion soit aujourd’hui très utilisée, notamment pour l’estimation du risque sismique, le phénomène mécanique à l’origine de telles différences de comportement reste mal connu. Même dans ces rares exemples avec une instrumentation plus dense, la résolution du glissement reste très faible par rapport aux hétérogénéités supposées du plan de faille.

Les observations sismologiques de ces différentes interfaces ou segments de faille sont également très variables : trémors non volcaniques, séismes lents, essaims de sismicité ou séquences de choc principal avec répliques sont autant de manifestations différentes du signal acoustique associées aux failles. Comprendre dans quels cas ces signaux sont présents et à cause de quels mécanismes représente aujourd’hui un défi important. Là  encore, la présence de défauts (densité d’aspérités) sur l’interface semble être un paramètre fondamental pour expliquer ces différences mais il n’existe aucune quantification précise liée à ce paramètre.

Il y a donc aujourd’hui un réel effort scientifique à faire pour mieux comprendre les propriétés du glissement sur une interface frictionnel et les relations qui peuvent exister avec les hétérogénéités sur cette interface.

L’approche analogique paraît bien adaptée pour appréhender ce problème  car elle permet un suivi direct du milieu à travers une instrumentation pouvant être disposée au plus près de la zone de déformation contrairement à la situation naturelle. De plus cette approche permet également de tester directement l’influence d’un paramètre sur les différentes observables enregistrées. Ainsi cette approche a notamment permis certains progrès récents sur le lien entre la morphologie de l’interface et signal acoustique ou bien sur la répartition du glissement dans les phases de nucléation sismique en lien avec les précurseurs. Toutes ces expériences montrent l’importance de la topographie de l’interface et de la charge normale sur le signal acoustique enregistré et plus généralement sur le comportement rhéologique macroscopique de l’interface.

Nous proposons ainsi au cours de cette thèse d’aborder cette influence de l’hétérogénéité de l’interface sur le glissement. Nous utiliserons pour cela une table à déplacement reliée à un moteur pas à pas d’une très grande rigidité. Une contrainte normale constante sera maintenue sur la face supérieure du milieu. Le moteur induira ainsi une condition de glissement à vitesse imposée sur le bord de l’échantillon. Nous suivrons l’évolution du glissement par une acquisition optique haute vitesse et haute résolution pour obtenir le champ de vitesse par corrélation d’images. De plus un suivi acoustique sera assuré par des accéléromètres, un vélocimètre laser et des capteurs piézoélectriques.  Des interféromètres laser seront utilisés pour suivre le déplacement sur certains points de contrôle.

Toutes ces observations nous permettrons d’analyser précisément la dynamique de l’interface que nous pourrons mettre en lien avec sa topographie que nous aurons préalablement caractérisée. On s’intéressera ainsi à déterminer la corrélation spatiale du glissement et sa corrélation avec l’hétérogénéité introduite. Nous chercherons à dégrader le signal pour simuler les observations géodésiques et ainsi reconstituer les caractéristiques  possiblement déterminables à partir d’observations de surface. Nous analyserons également le lien en temps et en espace entre les zones qui glissent localement et l’activité acoustique. Nous verrons également si le signal acoustique est associé à certaines zones de contact de l’interface ou bien s’établit sur une large zone. On pourra également rechercher les différences dans le signal sismique enregistré (trémor, séisme basse fréquence, … ) et sa dynamique  (e.g. essaim sismique) et les propriétés du milieu. On cherchera constamment à rattacher nos résultats à ceux observés grande échelle et à mieux définir la notion de couplage sismique.

Nous disposons actuellement à l’IPGS dans l’équipe de Sismologie de tout l’équipement nécessaire pour l’acquisition des données relatives à cette expérience et nous sommes sur le point de faire l’acquisition d’une table à déplacement. Un goût prononcé pour la démarche expérimental, une connaissance de MATLAB, des systèmes d’acquisitions et de l’électronique  seront considérés comme des atouts importants du futur candidat.

Références:

K.J. Måløy, S. Santucci, J. Schmittbuhl, and R. Toussaint. Local waiting time fluctuations along a randomly pinned crack front. Phys. Rev. Lett., 96(4):045501, 2006 (pdf)

O. Lengliné, J. Schmittbuhl, J. Elkhoury, J.P. Ampuero, R. Toussaint, and K.J. Måløy. Down-scaling during brittle-creep experiments. J. Geophys. Res., 116:B08215, 2011 (pdf)

O. Lengliné, J. Elkhoury, G. Daniel, J. Schmittbuhl, R. Toussaint, J.P. Ampuero, and M. Bouchon. Interplay of seismic and aseismic deformations during earthquake swarms: an experimental approach. Earth. Plan. Sci. Lett., 331-332:215-223, 2012 (pdf)