SÉISMES EN LABORATOIRE : L'EAU QUI BASCULE

Un séisme se produit quand la contrainte sur une faille dépasse sa résistance : les deux blocs glissent brutalement. Dans les failles gorgées d’eau, la pression de l’eau dans les pores de la roche joue un rôle central. Plus elle est haute, moins les blocs sont plaqués l’un contre l’autre — et plus la faille glisse facilement.

Deux mécanismes s’affrontent pendant le glissement :

1. La pressurisation thermique. Le frottement chauffe la faille. L’eau se dilate bien plus que la roche : sa pression monte, « soulève » la faille et l’affaiblit. On la croit motrice des grands séismes — mais elle a rarement été observée directement en laboratoire.
2. Le renforcement par dilatance. En se cisaillant et en se fissurant, la roche crée du vide. La pression de l’eau chute, les blocs se plaquent davantage, et la faille se renforce — jusqu’à pouvoir freiner la rupture.

Sur le terrain, le niveau de l’eau a chuté rapidement dans les puits proches de la faille après le séisme de Hualien, à Taïwan, en 2018 (magnitude 6,3), et celui de Kumamoto, au Japon, en 2016 (magnitude 7,0). Alors, quel effet l’emporte, et quand ?

Des séismes miniatures

L’équipe de Caiyuan Fan, Harsha Bhat et Alexandre Schubnel, au Laboratoire de géologie de l’École normale supérieure, à Paris, a utilisé des cylindres de granite de Westerly de 85 mm de long et 40 mm de large. La roche a été chauffée à 450 °C pour la fissurer, puis sciée à 30° pour créer une faille, dont les faces ont été polies à la pâte diamantée.

• Six capteurs de pression d’eau : quatre au bord même de la faille (à moins d’un demi-millimètre), deux plus loin dans la roche.
• Une presse à haute pression comprimait les échantillons à des pressions de confinement effectives de 30, 45 et 60 mégapascals, avec de l’eau à 25 ou 45 MPa.
• Le chargement était très lent (0,3 micromètre par seconde). La faille accumule la contrainte, puis glisse d’un coup : un séisme de laboratoire. Une expérience en a produit plus de 100.

Ce qu’ils ont vu

D’abord, la pressurisation thermique — observée directement.

• Lors des premiers séismes, la pression de l’eau monte pendant le glissement, au moment même où la contrainte chute.
• Au premier événement : une chute de contrainte d’environ 2,2 MPa, une hausse de pression d’environ 7 MPa, un glissement d’environ 0,05 mm, et une montée de pression jusqu’à 180 MPa par seconde.
• Le modèle théorique de la pressurisation thermique reproduit bien ces hausses.
• Un précurseur : la pression commence à monter plus de 50 secondes avant la rupture, alors que la contrainte ne bouge presque pas.

Puis, la bascule vers la dilatance.

• Séisme après séisme, la pression se met à baisser au lieu de monter — jusqu’à environ 15 MPa, à une vitesse allant jusqu’à 380 MPa par seconde. Dans une expérience, elle frôle zéro.
• Là aussi, un précurseur : la pression commence à baisser 10 secondes avant la rupture.
• La bascule est observée dans les quatre expériences.

Rapide, lent, rapide. Entre les deux phases apparaissent des séismes lents, d’un à trois ordres de grandeur plus lents que les rapides. Ils sont absents dans l’échantillon le plus perméable.

Pourquoi la faille a changé

La zone de cisaillement est devenue environ dix fois plus épaisse, passant d’environ 0,05 mm à environ 0,4 mm. La chaleur s’est répartie sur plus de roche, et l’échauffement estimé est tombé d’environ 10 degrés à 0,2 degré. Au microscope électronique, la faille montre des plaques de roche broyée, des filaments de roche fondue par le frottement, et une zone endommagée d’environ 60 micromètres de profondeur en moyenne.

Surprise : dans la phase tardive, la dilatance est plus forte et pourtant les ruptures sont plus rapides. La dilatance seule ne stabilise pas la faille ; d’autres mécanismes d’affaiblissement sont à l’œuvre.

Limites

Les auteurs appellent à la prudence face aux failles naturelles : ces expériences n’incluent pas la cicatrisation des failles entre deux séismes. Ils ont aussi fait la moyenne des quatre capteurs, qui révèlent pourtant un champ de pression hétérogène.

Une fenêtre sur l’état d’une faille

Selon les auteurs, c’est la première démonstration expérimentale des deux réponses opposées de la pression de l’eau, et d’une gamme de séismes rapides et lents, sur une même faille qui évolue. Cela remet en cause l’idée que la pressurisation thermique domine toujours les grands séismes rapides. Et les signaux de pression de l’eau pourraient devenir une fenêtre sur l’état d’une faille.