Thèse soutenue

Modelisation des failles sismiques
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Auteur / Autrice : Alexandros Stathas
Direction : Ioannis Stefanou
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie civil
Date : Soutenance le 13/12/2021
Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
Jury : Président / Présidente : Ahmed Benallal
Examinateurs / Examinatrices : Ioannis Stefanou, Ahmed Benallal, Panos Papanastasiou, Stéphanie Chaillat, Itai Einav, Nicolas Moës
Rapporteurs / Rapporteuses : Panos Papanastasiou, Samuel Forest

Résumé

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Lors d’un glissement sismique, l’énergie libérée par la décharge élastique des blocs de terre adjacente peut être séparée en trois parties principales : L’énergie qui est rayonnée à la surface de la terre (_ 5% du budget énergétique total), l’énergie de fracture pour la création de nouvelles surfaces de faille et enfin, l’énergie dissipée à l’intérieur d’une région de la faille, d’épaisseur finie, que l’on appelle le “fault gouge ". Cette région accumule la majorité du glissement sismique. Estimer correctement la largeur de fault gouge est d’une importance capitale pour calculer l’énergie dissipée pendant le séisme, le comportement frictionnel de la faille et les conditions de nucléation de la faille sous la forme d’un glissement sismique ou asismique.Dans cette thèse, approches différentes de régularisation ont été explorées pour l’estimation de la largeur de localisation de la zone de glissement principal de la faille pendant le glissement cosmique. Celles-ci comprennent l’application de la viscosité et des couplages multiphasiques dans le continuum classique de Cauchy, et l’introduction d’un continuum micromorphe de Cosserat du premier ordre. Tout d’abord, nous nous concentrons sur le rôle de la régularisation visqueuse dans le contexte des analyses dynamiques, en tant que méthode de régularisation de la localisation des déformations. Nous étudions le cas dynamique d’un continuum de Cauchy classique adoucissant à la déformation et durcissant à la vitesse de déformation. En appliquant l’analyse de stabilité de Lyapunov, nous montrons que l’introduction de la viscosité est incapable d’empêcher la localisation de la déformation sur un plan mathématique et la dépendance de du maillage des éléments finis.Nous effectuons des analyses non linéaires en utilisant le continuum de Cosserat dans le cas de grands déplacements par glissement sismique de fault gouge par rapport à sa largeur. Le continuum de Cosserat nous permet de rendre compte de l’énergie dissipée pendant un séisme et du rôle de la microstructure dans l’évolution de la friction de la faille. Nous nous concentrons sur l’influence de la vitesse de glissement sismique sur le mécanisme d’assidument frictionnel de la pressurisation thermique. Nous remarquons que l’influence des conditions aux limites dans la diffusion du fluide interstitiel à l’intérieur de fault gouge, conduit à une reprise du frottement après l’affaiblissement initial. De plus, un mode de localisation de déformation en mouvement est présent pendant le cisaillement de la couche, introduisant des oscillations dans la réponse du frottement. Ces oscillations augmentent le contenu spectral du séisme. L’introduction de la viscosité dans le mode ci-dessus, conduit à un comportement de "rate and state" sans l’introduction d’une variable interne. Nos conclusions sur le rôle de la pressurisation thermique pendant le cisaillement de fault gouge sont en accord qualitatif avec les nouveaux résultats expérimentaux disponibles. Enfin, sur la base des résultats numériques, nous étudions les hypothèses du modèle actuel de glissement sur un plan mathématique proposent à la littérature. Le rôle des conditions aux limites et du mode de localisation des déformations dans l’évolution du frottement de la faille pendant le glissement sismique. Le cas d’un domaine délimité et d’un mode de localisation de la déformation en mouvement est examiné dans le contexte d’un glissement sur un plan mathématique sous pressurisation thermique. Nos résultats étoffent le modèle original dans un contexte plus général.