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OSUG - Terre Univers Environnement

Mécanisme de fluage des failles actives - Julie RICHARD

20 janvier 2011 ( dernière mise à jour : 3 décembre 2012 )


Sujet de thèse : Mécanisme de fluage des failles actives :
Apport des grands forages et expérimentation de laboratoire.

Encadrants : Jean-Pierre GRATIER et Mai-Linh DOAN

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Résumé :

Les failles actives peuvent relaxer des contraintes de deux façons différentes : par glissement rapide au cours d’un séisme et par glissement lent et asismique en fluage. Ces deux comportements sont souvent conjugués et font parties intégrantes du cycle sismique, l’un représentant les déformations co-sismiques, tandis que l’autre interviendra principalement durant la période post-sismique mais il peut aussi accommoder les déplacements de failles asismiques. En général, pour qu’un nouveau séisme puisse se produire sur une faille, des processus de cicatrisation et de renforcement interviennent également durant les périodes post et intersismique (Reid, 1910). Ces processus jouent un rôle clé dans la restauration des propriétés rhéologiques des failles actives. Sans eux, la mise en place d’un nouveau cycle sismique serait impossible.

Ce comportement asismique, permanent ou postsismique, des grandes failles actives reste peu connu. Et pour cause, il fait intervenir plusieurs processus qui sont souvent difficiles à reproduire en laboratoire, notamment à cause de leur lenteur. De même, leur observation naturelle directe requiert du matériel se situant en profondeur, au cœur même de la faille. Pourtant, la compréhension du mécanisme de fluage servant à relaxer les contraintes tectoniques et à prévenir les séismes majeurs, est essentielle pour l’élaboration d’un modèle du comportement asismique des failles.

La faille de San Andreas présente, comme beaucoup de failles actives, un comportement contrasté avec des zones qui glissent en continu par fluage et d’autres qui ne glissent qu’épisodiquement en très gros séismes (Burford R.O. et Harsh P.W., 1980). Le fluage relaxe naturellement les contraintes tectoniques évitant ainsi les gros séismes. Il est donc essentiel de comprendre ce processus qui sécurise le comportement des failles sachant que ce fluage reste associé à une micro sismicité permanente voire à quelques séismes modérés (Nadeau R.M. et al., 1995) . Un forage à travers la faille de San Andreas (SAFOD) (Zoback M.D. et al., 2010) vient de fournir des échantillons issus de ces zones de fluage. Les premières études montrent que ce fluage se produit par des transferts de matière sous contrainte en présence de fluide et qu’il est toujours associé à des fracturations (Gratier et al., 2011). On sait, par des essais de laboratoire, que la fracturation active les transferts par apport de fluide mais on sait aussi que les transferts de matière s’annihilent en colmatant les fractures (Gratier J.P. et Gueydan F., 2007). Le but de cette thèse est de comprendre la complexité de ces interactions, en s’appuyant sur des observations naturelles et sur des expériences en laboratoire.
Les observations naturelles s’effectueront sur des échantillons collectés en forage dans une faille active de la croûte supérieure en Californie (San Andreas fault). Le travail effectué sur ces échantillons utilisera des moyens analytiques (microsonde, cartographie fluo-X, microscopes optique et électronique, cathodoluminescence, tomographie rayons X...). On cherchera notamment à caractériser les processus qui contrôlent la cinétique du fluage par transfert de matière sous contrainte, ainsi que son évolution dans le temps et son impact sur les microstructures et la composition minéralogique. On étudiera également l’intensité des déformations induites par ce fluage par dissolution-cristallisation et les processus de cicatrisation associés. On évaluera les distances et les modes de transfert (diffusion et/ou advection).
On sait que ces processus sont très dépendants de la fracturation qui pourrait être statique ou dynamique. Pour différencier ces modes de fractures, on procédera à des expériences en laboratoire (essais statiques sous presse Schenk, essais dynamiques sur barres de Hopkinson) qui permettront de reproduire ces modes statiques ou dynamiques, et d’en identifier les marqueurs, comme les multiples fractures radiales au contact entre grains. On cherchera ensuite à déterminer toujours expérimentalement la cinétique de la cicatrisation de ces failles.

Cette double approche, naturelle et expérimentale, permettra la construction d’un modèle de déformation asismique des failles actives par un fluage intégrant fracturation et cicatrisation. Les observations naturelles permettront d’évaluer les paramètres géométriques et thermodynamiques des modèles de fluage. Les autres paramètres notamment cinétiques, seront déduits de données expérimentales.

Bibliographie

Burford R.O., Harsh P.W., 1980. Slip on the San Andreas fault in central California from alinement array surveys. Bull. Seismolog. Soc. Amer, v. 70(4), 1233-1261.
Gratier J.P., Richard J., Renard F., Mittempergher S., Doan M.L., Di Toro G., Hadizadeh J., Boullier A.M., 2011. Aseismic sliding of active faults by pressure solution creep : evidence from the San Andreas Fault zone Observatory at Depth, Geology, in press
Gratier J.P., Gueydan F., 2007. Deformation in the presence of fluids and mineral reactions : effect of fracturing and fluid-rocks interaction on seismic cycle, in M.R. Handy, G.H., N. Hovius, ed., Tectonic Faults : agent of change on a dynamic earth : Cambridge, Mass., USA, The MIT Press, p. 319-356.
Nadeau R.M., Foxall W., McEvilly T.V., 1995. Clustering and periodic recurrence of microeathquakes on the San Andreas Fault at Parkfield, California. Science, v. 267, 503-507.
Reid H.F., 1910. The mechanics of the earthquake, in : The California Earthquake of April 18, 1906 Report of the Sate Earthquake Investigation commission vol 2. Carnegie Institute Washington Publ., 87, 192p.
Zoback M., Hickman S., Ellsworth W., 2010. Scientific drilling into the San Andreas Fault Zone. EOS, Transactions, American Geophysical Union, v. 91, 197-199.







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