Les observations à l’échelle nanométrique simplifient la façon dont les scientifiques décrivent le mouvement des tremblements de terre

L’utilisation de cristaux de calcite uniques avec une rugosité de surface variable permet aux ingénieurs de simplifier la physique complexe qui décrit le mouvement des failles. Dans une nouvelle étude de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, des chercheurs montrent comment cette simplification peut conduire à une meilleure prévision des tremblements de terre.

Les scientifiques décrivent le comportement des failles à l’aide de modèles basés sur des études d’observation qui tiennent compte des coefficients de frottement des roches et des minéraux. Ces équations « taux et état » calculent la force de la faille, ce qui a des implications sur la force et la fréquence des tremblements de terre. Cependant, l’application de ces modèles empiriques à la prévision des tremblements de terre n’est pas pratique en raison du nombre de variables uniques à prendre en compte pour chaque défaut, y compris l’effet de l’eau.

L’étude, dirigée par la professeure de génie civil et environnemental Rosa Espinosa-Marzal, examine la relation entre le frottement et la rugosité de surface de la calcite, l’un des minéraux les plus courants formant des roches dans la croûte terrestre, afin de formuler une approche plus théorique pour définir le taux. -et-lois des États.

Les conclusions sont publiées dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

« Notre objectif est d’examiner les processus à l’échelle nanométrique qui peuvent déclencher un mouvement de faille », a déclaré Binxin Fu, étudiant diplômé du CEE et premier auteur de l’étude. « Les processus que nous étudions à l’échelle nanométrique sont moins complexes que les processus à l’échelle macroscopique. Pour cette raison, nous visons à utiliser des observations microscopiques pour combler le fossé entre les mondes à l’échelle nanométrique et à l’échelle macroscopique afin de décrire le comportement des défauts en utilisant moins de complexité. »

La rugosité d’un cristal minéral dépend principalement de sa structure atomique. Cependant, les chercheurs ont déclaré que les roches dans les zones de contact sont grattées, dissoutes et recuites lorsqu’elles se frottent les unes contre les autres, affectant également leur texture à l’échelle nanométrique.

Pour tester comment la rugosité minérale à l’échelle nanométrique peut affecter le comportement des failles, l’équipe a préparé des cristaux de calcite atomiquement lisses et rugueux dans des environnements secs et humides pour simuler des roches sèches et celles contenant de l’eau interstitielle. La microscopie à force atomique a mesuré le frottement en faisant glisser une minuscule pointe de silicium montée sous pression sur différentes surfaces cristallines exposées à des conditions de zone de faille simulées : surface humide et calcite lisse ; surface mouillée et calcite rugueuse; surface sèche et calcite lisse; et surface sèche avec de la calcite rugueuse.

« Le frottement peut augmenter ou diminuer avec la vitesse de glissement en fonction des types de minéraux et de l’environnement », a déclaré Espinosa-Marzal. « Nous avons constaté que dans la calcite, le frottement augmente généralement avec la vitesse de glissement le long de surfaces minérales plus rugueuses, et encore plus en présence d’eau. En utilisant les données d’un type de minéral aussi commun et un nombre limité de scénarios de contact, nous réduisons la complexité de l’analyse et fournir une compréhension fondamentale des équations de taux et d’état. »

L’équipe a comparé ses résultats expérimentaux à des études réalisées dans des milieux naturels avec des roches contenant de la calcite à des niveaux crustaux peu profonds.

« Nos résultats concordent avec une étude récente montrant que l’eau diminue la résistance de la faille par rapport aux conditions sèches », a déclaré Espinosa-Marzal. « Nos résultats sont également cohérents avec une autre étude montrant que les tremblements de terre à basse fréquence ont tendance à se produire le long des failles humides, ce qui suggère qu’une diminution de la friction – causée par l’eau – peut être un mécanisme de tremblements de terre lents dans certains environnements. »

Cette avancée peut aider les sismologues à redéfinir les lois de vitesse et d’état pour déterminer où la contrainte s’accumule dans la croûte et donner des indices sur où et quand de futurs tremblements de terre pourraient se produire.

L’équipe reconnaît qu’il existe encore de nombreux autres facteurs à prendre en compte, notamment la température et l’influence d’autres minéraux crustaux courants tels que le quartz et le mica. Les chercheurs prévoient d’intégrer ces variables dans les futurs modèles.