Thème transverse

Instabilités mécaniques et risques géophysiques associés

Animateur : Jean Schmittbuhl

Il s'agit de former un groupe de travail visant à mieux comprendre les processus fondamentaux (e.g. frottement, fracture, compaction, glissement de pente, rhéologie des milieux granulaires, rôle des fluides etc) impliqués dans les instabilités mécaniques comme les séismes ou les instabilités de pente, et ce à plusieurs échelles : du laboratoire aux échelles du terrain (sismologie, mesures satellitaires, etc) en passant par les résultats de forage (Soultz-sous-Forêt, Corinthe, etc). La perspective scientifique est d'arriver à une meilleure compréhension des risques sismiques et gravitaires avec en particulier la recherche d'observables pertinentes pour la description de l'initiation ou de la nucléation des instabilités et donc pour leur prévision.

Un lien entre séisme et instabilité de pente est à rechercher dans la similitude des processus en jeu lors de l'initiation : problème d'interface, loi de frottement, sensibilité aux hétérogénéités, influence des fluctuations du chargement, rôle des fluides, présence de milieux granulaires, outils d'observation, recherche de signaux précurseurs "distants" etc.

Trois grands axes de travail pourront être proposés :

1. Les interfaces

Les instabilités mécaniques aboutissent ou naissent lors d'une localisation de la déformation et donc sont fortement liées à l'apparition ou à l'existence d'interfaces. Plusieurs questions sont très ouvertes: Quelles sont les géométries de ces interfaces ? Que peut-on apprendre à partir de leur analyse sur l'histoire mécanique ? Quels sont les liens entre les interfaces géologiques observées (i.e. géométriques) et les interfaces mécaniques (introduites dans les modèles) ? Existe-t-il des interfaces effectives à géométrie simple ? Quelles sont les différences entre la géométrie de l'interface observée (i.e. en condition de surface libre) et celle sous charge (à plusieurs kilomètres de profondeur) ? Quel est le lien entre une aspérité géométrique et une aspérité en contrainte ? Existe-t-il vraiment une seule interface ? Quelle est l'épaisseur des interfaces ? Ont-elles un volume ? Le matériau le long de l'interface est-il le même que celui dans le volume ? Que sont les gouges de faille ? Existe-t-il des fluides, circulent-ils ? Ont-ils une influence sur la géométrie de l'interface, sur son état de contrainte ?

2. Les hétérogénéités

Au seuil d'instabilité, les hétérogénéités du milieu sont particulièrement importantes. En effet, l'évolution du système devient particulièrement sensible aux perturbations. Les questions sont donc: comment décrire les hétérogénéités du milieu: les hétérogénéités géométriques, les hétérogénéités de glissement, les hétérogénéités de contraintes, de pression de fluide ? Quelle est la part entre les hétérogénéités dynamiques, i.e. créer par les processus en jeu lors des évènements, et celles liées à la structure du milieu ? Quels sont les outils pour les voir (champ proche, micro-sismicité, tomographie, interférométrie, inversion GPS, mesures électriques, forages, expériences de laboratoire sur modèles réduits (imagerie acoustique, photo-élasticité, mesure de champ de déformation), etc)? Quelles sont les hétérogénéités pertinentes pour la stabilité mécanique ? Quelle est l'importance des petites échelles ? Quelles différences apparaissent suivant l'échelle d'observation ? Quelle est l'évolution en temps des hétérogénéités ? Existe-t-il des échelles et des temps caractéristiques ? Peut-on toujours définir un volume élémentaire représentatif ? Quelles sont les limites des approches d'homogénéisation en particulier pour des milieux comportant des hétérogénéités invariantes d'échelle ? L'hétérogénéité peut aussi provenir de l'aspect discret du milieu, i.e. milieu granulaire. Quels champs de contraintes dans un milieu granulaire ? Quels réseaux de force ? Quelles fonctions d'influence élastique (i.e. fonction de Green) dans un milieu granulaire ? Quel lien entre un milieu continu et un milieu discret ? Une interface comme un plan de glissement est-elle continue ou discrète (gouge, blocs, problèmes d'échelle)?

3. Les processus mécaniques

Un travail important concerne l'identification des processus majeurs responsables des instabilités. Dans ce cadre, on peut se demander quelle est la part entre les processus de volume: fracturation, compaction, rhéologie (e.g. poro-élasticité), effets thermiques, effets gravitaires, etc, par rapport à ceux d'interface comme le frottement. Pour tous ces phénomènes, il s'agit de comprendre le rôle des hétérogénéités, de la géométrie, de l'existence d'interfaces préexistantes. Comment se fait la fracturation en milieu hétérogène? Quelle loi de frottement (en glissement, en vitesse, à variable d'état)? Quelle importance de l'épaisseur de l'interface dans le processus de frottement ? Tout un axe de recherche peut se faire sur les processus de couplages des petites échelles lors de la mise en jeu de chacun des phénomènes mentionnés. Les phénomènes de nucléation sont-ils des processus de « synchronisation », de couplage sur de grandes échelles des petites perturbations locales ? Dans cette perspective, existe-il des outils pour suivre ces processus de couplage: évolution des tailles de corrélation, construction d'amas, changement des tailles caractéristiques, croissance des tailles de nucléation, évolution de la texture, évolution des hétérogénéités des champs de contraintes, etc ? Il est important aussi de caractériser les temps caractéristiques pour voir si des processus de nucléation lente existent avant une phase dynamique de l'instabilité. En effet, de tels processus lents sont les meilleurs candidats pour une prévision efficace. Tout un travail concerne la signature de ces phénomènes dans les signaux des outils classiquement utilisés, en particulier sismiques. Le dernier aspect concerne les fluctuations temporelles du chargement: que ce passe-t-il lorsque le chargement mécanique présente d'importantes variations (e.g. perturbation de contraintes résultant d'évènements distants, fluctuations de la charge hydrique pour les problèmes gravitaires, etc). Ces perturbations temporelles sont elles les principaux moteurs de l'initiation des instabilités ?