Interaction entre affaiblissement d'endommagement et de friction lors de l'initiation des séismes : expériences de laboratoire et simulations numériques

par Vincent Canel

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Michel Campillo, Xiaoping Jia et de Ioan Ionescu.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 09-01-2018 .


  • Résumé

    Les glissements d'une faille se déroulent naturellement en réponse à une déformation à long terme produite par la tectonique des plaques ; ils peuvent aussi être déclenchés par les activités humaines liées à l'extraction de ressources qui affectent les champs de contrainte et endommagent les roches. La façon dont l'endommagement du milieu et la cohésion des roches endommagées contrôlent le comportement du glissement et de la sismicité n'est cependant pas bien comprise. Cette thèse fait partie d'un effort interdisciplinaire impliquant sismologie, géodésie, mécanique et mathématiques appliquées dans le cadre du projet F-IMAGE soutenu par l'ERC (PI: Michel Campillo, Université Grenoble-Alpes). Dans ce contexte, cette thèse s'attachera à la formulation d'un modèle unifié capable de décrire l'initiation d'un séisme (nucléation) à partir de la friction au niveau de la faille et de l'endommagement en volume. Le principal objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction entre ces deux aspects, à travers les analyses jointes de données obtenues par des expériences contrôlées de laboratoire et les résultats quantitatifs de nouveaux modèles théoriques et numériques de l'évolution du glissement. Une série d'expériences de cisaillement en laboratoire sera effectuée pour étudier le comportement de la faille pour des milieux dans différents états mécaniques allant du cohésif au granulaire. L'émission acoustique durant le processus de fracturation (activité sismique) sera aussi détectée et traitée de la même manière que des données sismologiques de terrain. Les résultats de l'expérience seront analysés dans la perspective théorique du comportement d'une interface de friction dans un milieu endommagé. Une stratégie de Galerkin discontinue pour la modélisation numérique de l'endommagement et la propagation des ondes sera aussi développée. La description numérique et théorique des instabilités, liée à l'affaiblissement de la friction et des roches endommagées sera comparée à la dynamique et à la durée de la nucléation des séismes. Ce travail se développera en parallèle aux autres aspects du même projet, à savoir la caractérisation sismique de l'endommagement, la surveillance des propriétés élastiques apparentes et la détection de micro-séismes au voisinage des systèmes de failles actives.

  • Titre traduit

    Interplay between damage and friction weakening during earthquake initiation : from laboratory experiment to numerical modeling


  • Résumé

    Earthquake sliding occurs naturally in response to long-term deformation produced by plate tectonics; they may also be triggered by human activities related to natural resource extraction that affect the stress field and damage the rocks. However, the way the damage of the medium and the cohesiveness of the damaged rocks control the slip behavior and the seismic patterns is not well understood. This thesis is part of an interdisciplinary effort involving seismology, geodesy, mechanics and applied mathematics in the framework of the F-IMAGE project supported by ERC (PI: Michel Campillo, Université Grenoble-Alpes). In this context, this thesis will address the challenge of a unified model able to describe the earthquake initiation (nucleation) from both fault friction and bulk damage. The main objective of the thesis is to study the interplay between these two aspects, through the joint analysis of data obtained in controlled laboratory experiments and the quantitative implications of new theoretical and numerical models of slip evolution. A series of laboratory shear experiments will be performed to study the slip behaviour for different media with mechanical state ranging from cohesive to granular. The acoustic emission during fracture process (seismic activity) will be also detected and processed in the same way as actual seismological data are processed. The experiment results will be analyzed in the theoretical perspective of the behaviour of a frictional interface in a damaged medium. A discontinuous Galerkin strategy for the numerical modelling of damage and wave propagation will be also developed. The numerical and theoretical description of the instabilities, related to the weakening of both the friction and the damaged host rocks will be related to earthquake initiation (nucleation) dynamics and duration. This work will develop in parallel to the other aspects of the same project, namely seismic characterization of damage, monitoring of apparent elastic properties and micro-earthquake detection in the vicinity of actual active fault systems.