Etude du cycle sismique sur une expérience analogique de zone de faille : caractérisation de la déformation par suivi micro-sismique

par Cédric Lachaud

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de David Marsan et de Maurine Montagnat Rentier.

Soutenue le 15-02-2019

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Stefan Nielsen.

Le jury était composé de Elsa Bayart, François Renard.

Les rapporteurs étaient Anne Mangeney.


  • Résumé

    Le cycle sismique résulte de la compétition entre des mécanismes de renforcement et d'endommagement. Le temps de récurrence entre les grands séismes fait qu'il est difficile d'observer des cycles complets. L'étude expérimentale des mécanismes de déformation et de nucléation des fractures a permis de mieux contraindre les processus à l'origine des séismes. Le rôle de la cicatrisation sur l'évolution de la résistance d'une faille soumise à une déformation stationnaire à été étudié expérimentalement par Weiss et al (2016). Dans cette expérience, une faille est créée dans une plaque de glace par cisaillement. Les mécanismes de cicatrisation sont obtenus par le regel de l'eau présente dans la zone de déformation. Dans le cadre de cette thèse, ce dispositif expérimental a été étendu pour permettre le suivi micro-sismique de la déformation imposée. Les mécanismes de déformation fragile émettent des ondes élastiques détectables qui se propagent dans le milieu, nous permettant de les caractériser. En raison de la géométrie en plaque du milieu, on observe la propagation d'ondes guidées similaire aux modes de Lamb symétrique et antisymétrique.Les fractures de grandes tailles se distribuent selon une loi de puissance en $10^{-bm}$ similaire à ce qui est observé en sismologie. Cependant, lors des expériences de déformation stationnaires, la valeur de $b$ est large ($b=3$), et bien supérieure à ce qui est observée dans la croûte terrestre ($b=1$). Une valeur de $b$ aussi élevée traduit le fait que la déformation est principalement accommodée de façon asismique ou part des fractures trop petites pour être détectées par notre méthode. Lorsque le rôle de la cicatrisation est renforcée par rapport à l'endommagement, on observe une diminution de la valeur de $b$. Ce changement de distribution est probablement dû à la diminution des hétérogénéités de structure dans la faille et à une augmentation de sa capacité à accumuler une contrainte plus élevée avant la rupture, permettant aux fractures de se propager sur de plus longues distances. Une partie importante de la sismicité correspond à des multiplets qui semblent être des produits passifs de la déformation. Ce comportement est similaire à ce qui est observé pour les essaims de séismes déclenchés par des transitoires de déformation : valeur de $b$ grande, absence de choc principal et peu de déclenchement de répliques. Pour des taux de déformation faibles, on observe une augmentation des chutes de couple avec la magnitude de la forme $Delta Gamma sim M_0 sim 10^{1.2m}$, similaire à ce qui est observé dans la croûte terrestre, $M_0 sim 10^{1.5m}$. Il est donc possible que la relation observée en sismologie s'étende aux petites magnitudes observées ici. Une diminution du couplage sismique est observé avec l'augmentation du taux de glissement $Omega$. Pour finir, pour une fracture de magnitude donnée, on observe une diminution de la chute de couple avec l'augmentation de $Omega$. Ce comportement peut être expliqué par la diminution du couplage sismique et/ou une dépendance du taux de cicatrisation.

  • Titre traduit

    Study of the seismic cycle using a laboratory analog of a fault zone : micro-sismique monitoring of the deformation


  • Résumé

    The deformation observed along a seismic fault can be described as the succession of phases for which the fault accumulate stress imposed by the steady deformation of the surrounding regions, and phases of sudden sliding during which the stress is relaxed: the earthquakes. After the rupture, strengthening mechanisms are required to make possible the new accumulation of elastic stress. Therefore, the seismic cycle results in the steady competition between strengthening and damage. The aim of this study is to explore the role of cohesion-healing on the fault deformation dynamic, as well as to characterize the effect of slip rate on the seismicity. The experimental set-up designed by Weiss et al (2016) has been extended in this study to carry out a micro-seismic monitoring of the deformation. This experiment consists in the shear deformation of a fault created in a thin ice plate overlying a water column. Cohesion-healing mechanisms are achieved through freezing of the water along the fault. The damage mechanisms and the spatial and temporal distribution of the deformation can be characterized thanks to the detectable elastic waves emitted by the fracturing. Because of the plate geometry and underlying water column, we observed guided waves similar to the Lambs symmetric and antisymmetric modes.The largest fractures distribute according to a power law of the form $10^{-bm}$ that is similar to the one observed in seismology. At a constant sliding rate, we observe a large $b$ value, $simeq 3$, which is much larger than the value observed in the Earth's crust ($b=1$). This large $b$ value indicates that the deformation is mainly accommodated aseismically or by small, undetected, fractures. During Slide-Hold-Slide experiment that corresponds to a case for which the cohesion-healing is enhanced compared to the damage, we observe a decrease in the $b$-value likely due to a decrease in fault heterogeneity and an increase of the fault ability to store more elastic stress before the rupture, allowing the fractures to grow larger. An important part of the fractures are multiplets, swarms of fractures, which seem to be passive by-products of the imposed deformation. This behaviour is similar to the one observed for swarm seismicity triggered by slip transient: high $b$-value, no identified mainshock, and very little triggering. For small driving rate $Omega$, we observe an increase in torque drop amplitude with magnitude, $Delta Gamma sim M_0 sim 10^{1.2m}$, similar to the relation observed in seismology, $M_0 sim 10^{1.5m}$. Thus, the latter could be extended to small magnitudes observed in this study. A decrease of the seismic coupling is observed through the decrease in the number of fractures per unit of slip, and because in average a fracture behaves similarly at the different $Omega$ tested. Finally, for a given magnitude interval, we observe a decrease in torque drop amplitude with the increase in $Omega$. This could be explained by the observed decrease in seismic coupling or by a decrease in strengthening rate with $Omega$ that is not observed.


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