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Physique de la déformation : modélisation numérique et analogique

1 – Modélisation numérique du cycle sismique

Des études sur le cycle sismique en contexte extensif ont montré l’intérêt de coupler les modèles géologiques à grande échelle de temps avec les échelles de temps plus courtes, co et post-sismiques. Il en résulte une nouvelle vision de la nucléation des séismes et du cycle sismique, qui demande à être
comparée à des données géodésiques. Hormis les zones de subduction, la majorité des données géodésiques sur les failles actives est enregistrée sur des grands décrochements, transtensifs ou transpressifs.

Un phénomène particulièrement intéressant est celui de la nucléation temporelle des séismes, qui occasionne le déclenchement rapproché de plusieurs séismes dans une zone tectonique donnée.

Nous avons proposé une première explication de ce phénomène en utilisant un modèle simplifié inspiré de travaux antérieurs sur le transfert des contraintes postsismiques dans la zone sismogène. Une modélisation 3D du couplage rhéologique entre failles devrait permettre une étude approfondie
des interactions entre séismes par l’intégration des données sismotectoniques et géodésiques disponibles sur des séismes comme ceux survenus entre 1939 et 1999 sur la faille Nord Anatolienne. Ce travail (Chéry et Provost, 2002), a déjà été effectué dans le cadre d’une action ACI Catastrophes Naturelles : `Intégration des données géodésiques et sismotectoniques dans des modèles mécaniques tridimensionnels du cycle sismique : Etudes de cas’’. Il se poursuivra dans le cadre de nouveaux projets ACI et DyETI sur la mesure et la modélisation de la déformation active (failles Nord et Est Anatolienne, faille de Tabriz en Iran), destinés à acquérir des données spécifiques sur la déformation post et intersismique de ces zones.

2 - Modélisation numérique discrète

Les processus de déformation associés aux failles actives seront analysés en utilisant des méthodes de simulation numérique discrète (dynamique des contacts) où le milieu géologique est représenté par des assemblages de particules. La loi de contact entre les grains est définie par des seuils de résistance pour trois paramètres, notamment, la friction, l’adhésion et le moment exercé au point de contact. Le comportement macroscopique du milieu est défini à partir d’essais numériques (biaxial, boite à cisaillement), et correspond à des rhéologies de type Mohr-Coulomb. Ces lois simples permettent de décrire le comportement des sols et des roches dans le domaine cassant. Nous disposons d’une presse triaxiale pour effectuer des essais mécaniques sur des échantillons collectés sur le terrain, de manière à calibrer les modèles numériques.

Ces méthodes seront appliquées à l’analyse de la propagation des ruptures de surface en fonction de la géométrie des failles de socle et de la composition des couches superficielles. Cette application permettra de mieux comprendre les mécanismes qui modulent la segmentation des failles au voisinage de la surface. Il devra aider à interpréter et à contraindre les scénarii proposés pour le fonctionnement des failles actives à partir des données de tranchées.

La méthode sera appliquée également à l’étude de la déformation de la croûte supérieure en fonction de la structure géologique et des conditions de bord (extension/raccourcissement, friction à la base, etc.).

3 - Modélisation analogique du cycle sismique et des couplages Tectonique/Erosion dans les zones de déformation active

A l’échelle du cycle sismique, les modalités (périodicité, durées…) selon lesquelles les phases co-sismiques et inter-sismiques se succèdent sont mal connues car elles dépendent de nombreux paramètres (hétérogénéités de la croûte et du plan de faille, interactions entre failles…). On sait cependant que la succession de ces différentes phases de déformation et de glissement saccadé sur le plan de faille est reliée aux vitesses long terme et aux déformations finies déduites des données sismotectoniques et paléosismologiques. Jusqu’à présent, il n’a pas encore été possible de mesurer directement la déformation autour d’une faille sur un cycle sismique entier, cela en raison de sa durée qui se chiffre au mieux en centaines d’années mais qui peut aussi atteindre plusieurs milliers d’années. L’utilisation de modèles numériques purement élastiques permet d’expliquer de façon remarquable les déformations inter-sismiques et co-sismiques mesurées par géodésie. Cependant, le défaut majeur de ces modèles est qu’ils ne prennent pas en compte la déformation irréversible (frictionnelle, plastique, visqueuse) qui s’accumule cycle après cycle et qui se traduit, entre autres, par la formation de reliefs. Ces modèles ne permettent pas non plus de modéliser en 3D la propagation et la croissance des failles au cours du temps ainsi que leurs interactions. C’est pourquoi nous souhaitons mettre en oeuvre une approche complémentaire de l’observation de terrain et de la modélisation numérique, basée sur la modélisation analogique. L’objectif est de reproduire à l’aide de matériaux élasto-plastiques frictionnels les processus de chargement élastique durant la phase intersismique et de glissement rapide sur les failles caractérisant la phase co-sismique. Le but n’est pas de reproduire tous les processus et les mécanismes qui régissent le fonctionnement d’une faille qui sont beaucoup trop complexes pour être modélisés simultanément. L’objectif est d’abord de reproduire au premier ordre les variations spatiales et temporelles du champ de déformation de surface pendant la succession de plusieurs cycles sismiques.

Expérience de modélisation analogique du cycle sismique et des couplages tectonique/érosion dans les chaînes


Dans les zones tectoniquement actives, la morphologie dépend en partie de l’histoire de la déformation (forçage interne), mais évolue également en fonction des processus d’érosion dominants. L’étude des caractéristiques topographiques peut être un moyen judicieux d’analyser le fonctionnement des failles sur une échelle de temps intermédiaire entre celle des études géodésiques d’une part et celle des études géologiques d’autre part. Pour cela, il est donc nécessaire de déconvoluer, dans le signal morphologique, les caractéristiques dues essentiellement à la tectonique (distribution et intensité des déformations au cours du temps) de celles qui sont liées à la dynamique de l’érosion (nature et intensité des processus d’érosion efficaces). Pour atteindre cet objectif et pour déterminer, en particulier, dans la topographie continentale quels sont les critères morphométriques (organisation spatiale du réseau hydrographique et morphologie des bassins versants individualisés) les plus sensibles aux variations des vitesses de faille, nous aurons recours à la comparaison des différents chantiers étudiés sur le terrain et également à la modélisation analogique.

La comparaison entre eux de sites naturels (chaînes du Tianshan et de Taiwan) dont les caractéristiques sont très différentes en termes de vitesse de déformation et de conditions climatiques, et la confrontation à la modélisation analogique nous permettra d’étudier les relations qui existent entre les caractéristiques de la topographie et l’activité des failles dans le temps. Nous analyserons également quelles sont les conditions requises à la formation de marqueurs morphologiques couramment utilisés pour l’étude de l’activité des failles, telles les terrasses fluviatiles et les cônes alluviaux afin d’en préciser les liens éventuels avec l’histoire de la déformation.