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Une nouvelle étude suggère qu’une période de mouvement lent et rampant sans aucune secousse pourrait être un prélude nécessaire aux tremblements de terre. La recherche, qui portait sur les principes fondamentaux de la rupture des matériaux, s’est concentrée sur les fissures serpentant à travers des feuilles de plastique en laboratoire. Mais les expériences ont révélé une certaine physique de base du fonctionnement des fractures, en particulier comment une accumulation de friction à l’interface de deux corps se transforme en une rupture soudaine. Et ces résultats s’appliquent aux tremblements de terre du monde réel, a déclaré l’auteur de l’étude, Jay Fineberg, physicien à l’Université hébraïque de Jérusalem.
« Le matériau composant les plaques de contact n’aura pas d’importance », a déclaré Fineberg à Live Science. « Le même processus physique aura lieu dans les deux cas - le ressort explosif des plaques pliées se libérera de la même manière. »
Les tremblements de terre se forment lorsque deux plaques tectoniques se déplaçant l’une contre l’autre se coincent, ce qui permet à la faille d’accumuler des contraintes. « Les plaques sont de plus en plus sollicitées par les forces qui tentent de les déplacer, mais sont coincées dans la partie fragile de l’interface qui les sépare », a déclaré Fineberg. Cette section cassante, qui ne se déforme pas en réponse aux contraintes, a une épaisseur finie et c’est ce qui se brise lors d’un tremblement de terre.
« Le processus de fracture ne se produit pas d’un seul coup. Tout d’abord, une fissure doit être créée", a déclaré Fineberg. Lorsque cette fissure atteint les limites de l’interface fragile, cette fissure s’accélère rapidement à des vitesses proches de la vitesse du son. C’est ce qui fait trembler la terre.
« La question est de savoir comment la nature crée la fissure qui devient ensuite un tremblement de terre ? » Fineberg.
Fineberg et ses collègues ont étudié la question avec un mélange de mathématiques théoriques et d’expériences de laboratoire. Ils reproduisent en laboratoire des fractures semblables à des tremblements de terre avec des blocs faits d’un thermoplastique appelé polyméthacrylate de méthyle, mieux connu sous le nom de plexiglas. Les chercheurs fixent des feuilles de plexiglas ensemble et appliquent une force de cisaillement, ou de côté, similaire à celles trouvées sur une faille de décrochement comme la faille de San Andreas en Californie. Bien que les matériaux soient différents, la mécanique de la fracture est la même.
Une fois qu’une fissure commence, elle agit comme une ligne unidimensionnelle qui déchire le matériau. Fineberg et son équipe avaient précédemment montré qu’avant que la fissure ne se forme, le matériau développe une sorte de phase précurseur appelée front de nucléation. Ces fronts de nucléation – les graines des fissures – se déplacent à travers le matériau, mais beaucoup plus lentement que les fissures standard. Il n’était pas clair comment cette graine pouvait rapidement se transformer en une fracture rapide.
Fineberg et ses collègues étaient perplexes quant à la façon dont cela pouvait être. Grâce à une combinaison d’expériences en laboratoire et de calculs théoriques, ils ont réalisé qu’ils avaient besoin d’une mise à jour mathématique : les fronts de nucléation doivent être modélisés en 2D et non en 1D.
Au lieu de penser à une fissure comme une ligne séparant un matériau brisé d’un matériau ininterrompu, a déclaré Fineberg, imaginez la fissure comme une tache qui commence à l’intérieur du plan où deux « plaques » de plexiglas se rencontrent. L’énergie nécessaire pour casser le nouveau matériau à la bordure de la plaque est liée au périmètre de la plaque : à mesure que le périmètre s’agrandit, l’énergie nécessaire à la fissuration d’un nouveau matériau augmente également.
Cela signifie que la plaque se déplace lentement et ne provoque pas encore de fracture rapide qui créerait les ondes sismiques et le mouvement de secousse ultérieur associé à un tremblement de terre. Alors que l’accélération rapide d’une fissure standard libère de l’énergie cinétique dans le matériau environnant, le mouvement lent de la tache initiale ne libère aucune énergie cinétique dans son environnement. Par conséquent, son mouvement est connu sous le nom d'« asismique ».
Finalement, cependant, la tache s’étend en dehors de la zone fragile où les deux plaques se rencontrent. En dehors de cette zone, l’énergie nécessaire pour briser de nouveaux matériaux ne croît plus avec la taille de la région brisée, et au lieu d’un équilibre énergétique, il y a maintenant un excès d’énergie qui a besoin d’aller quelque part. « Cette énergie supplémentaire provoque maintenant le mouvement explosif de la fissure », a déclaré Fineberg.
Les résultats, publiés le 8 janvier dans la revue Nature, montrent comment un glissement lent avant une fissure peut se transformer rapidement en tremblement de terre, a-t-il déclaré. Théoriquement, si l’on pouvait mesurer le mouvement asismique avant une rupture – sur une ligne de faille, par exemple, ou même dans un objet mécanique comme une aile d’avion – il serait possible de prédire une rupture avant qu’elle ne se produise. Cela peut être compliqué dans les failles du monde réel, dont beaucoup subissent un fluage asismique sur de longues périodes de temps sans libérer de tremblements de terre.
Néanmoins, Fineberg et son équipe tentent maintenant de détecter des signes de transition de l’asismique à la sismique dans leurs matériaux de laboratoire.
« En laboratoire, nous pouvons regarder cette chose se dérouler et nous pouvons écouter les bruits qu’elle fait », a déclaré Fineberg. « Alors peut-être que nous pouvons découvrir ce que vous ne pouvez pas vraiment faire dans une vraie faille, parce que vous n’avez aucune information détaillée sur ce que fait un tremblement de terre jusqu’à ce qu’il explose. »
