Les failles se cassent en laboratoire

«Toshihiko Shimamoto est un expérimentateur hors pair, et sa machine, asservie électroniquement, une merveille », s’enthousiasme Raúl Madariaga, de l’École normale supérieure de Paris (ENS). La machine en question simule des séismes. Elle ne paie pourtant pas de mine. Deux cylindres de grès enserrés dans du Teflon compressent fortement du quartz. En tournant à des vitesses différentes, les deux blocs de grès créent des tensions sur le quartz, qui se déforme jusqu’à rompre.

Cette disposition reproduit ce qui se passe lors d’un séisme réel, lorsque les tensions tectoniques s’accumulent et que les roches finissent par casser comme un ressort trop tendu qui lâche soudainement. La rupture se propage alors très rapidement dans la croûte terrestre en faisant glisser deux blocs rocheux l’un contre l’autre, le long d’une faille. Les forces de frottement qui s’exercent entre les blocs jouent un rôle déterminant dans l’initiation et la propagation de la rupture. Mais lequel ?

Depuis trente-cinq ans, les mécaniciens des roches essayaient de reproduire le phénomène, mais toujours à vitesse constante et faible, de quelques micromètres par seconde. « Ces conditions étaient peu représentatives d’un séisme, puisque les vitesses de glissement des roches enregistrées lors de tremblements de terre sont variables et atteignent environ 1 mètre par seconde », remarque le sismologue de l’ENS. Aujourd’hui, Hiroki Sone, de l’université Stanford, en Californie, et Toshihiko Shimamoto, de l’université d’Hiroshima ont résolu le problème. Ils sont parvenus à décrire de manière réaliste comment évolue le frottement lors du glissement des roches (1).

Grâce à leur machine rotative, les deux expérimentateurs ont imposé des vitesses de glissement élevées (de 0,1 à 2,1 mètres par seconde), et pour la première fois variables. Autre nouveauté : ils ont utilisé des roches représentatives de celles qui sont broyées lors des séismes. Ces quartz ont en e et été extraits à plus de 1 000 mètres de profondeur sur la faille taïwanaise de Chelungpu, où s’est produit un séisme meurtrier en1999. Ils ont ainsi reproduit l’évolution des vitesses de glissement observée alors : celles-ci étaient passées de 0 à 1,9 mètre par seconde en l’espace de 6,5 secondes, avant de chuter et de se stabiliser au cours des quatre secondes suivantes. « C’est la première fois qu’un cycle complet d’accélération et de décélération du glissement est reproduit expérimentalement », précise Raúl Madariaga.

Le duo japonais a ainsi mis en évidence une équation qui traduit la loi d’évolution du frottement. Elle indique une succession de trois phases. Les forces de frottement commencent par se renforcer, puis s’affaiblissent rapidement (d’autant plus que les vitesses de glissement sont élevées), et enfin se stabilisent. « Avec cette nouvelle loi, nous allons enfin pouvoir intégrer une description fiable du frottement dans nos modèles de séisme et confronter les résultats aux observations », se réjouit Raúl Madariaga.

Fabienne Lemarchand

(1) H. Sone et H. Shimamoto, Nature Geoscience, doi:10.1038/ngeo637, 2009.

http://www.larecherche.fr/content/actualite-terre/article?id=26686