Aspérités de failles sismiques : fusion ou abrasion ? – DRAMA

Le projet DRAMA a employé une approche expérimentale-numérique duale pour analyser la physique de l’affaiblissement des failles à l’échelle des aspérités, en combinant une tribométrie de pointe avec des simulations multiphysiques avancées.

Sur le plan expérimental, l’équipe a conçu et construit un tribomètre « pin-on-disc » sur mesure afin de reproduire les conditions co-sismiques pour une aspérité rocheuse unique. Une « pointe » rocheuse hémisphérique (de 5 à 20 mm de diamètre) glissait contre un « disque » rocheux en rotation (de 20 à 30 cm de diamètre) sous contrainte normale contrôlée (10 à 200 MPa) et à une vitesse de 0,1 à 1 m/s. L’appareil permettait des trajectoires spirales ou circulaires, rendant possibles des essais sur roche nue ainsi que sur des couches de gouge préexistantes. Des capteurs haute résolution enregistraient les forces 3D, l’usure, la température de surface (via une caméra infrarouge et des thermocouples intégrés) ainsi que les émissions acoustiques, tandis que des analyses post-mortem (MEB, interférométrie, tomographie aux rayons X) cartographiaient la formation de fusion, la distribution de la gouge et les dommages en subsurface. En testant la quartzite et le marbre — chacun sujet à des mécanismes d’affaiblissement différents (fusion, plasticité) — les expériences ont permis d’isoler le rôle de la minéralogie dans le comportement des aspérités.

Sur le plan numérique, le projet a développé un modèle multiphysique 2D utilisant le code MELODY, reproduisant les conditions du tribomètre. Le modèle intégrait la méthode des éléments discrets (DEM) pour la mécanique des gouges granulaires, la méthode des éléments finis (FEM) pour la déformation élastique du massif rocheux, des modèles de zone cohésive (CZM) pour l’endommagement de la roche et l’émission de gouge, ainsi que des schémas de diffusion thermique pour suivre la génération de chaleur et la fusion. Cette approche hybride a permis de simuler la manière dont les aspérités s’usent, produisent de la gouge ou fondent sous cisaillement, avec des conditions aux limites périodiques permettant des passages répétés afin de reproduire l’usure cumulative. L’étalonnage s’appuyait sur des essais de compression triaxiale et sur la caractérisation post-mortem de la gouge afin de garantir un comportement réaliste de la roche.

La synthèse des données comparait les résultats expérimentaux et numériques — courbes de friction, champs de température, taux d’usure et signaux acoustiques — afin de valider le modèle et d’affiner la loi d’affaiblissement. En reconstruisant le bilan énergétique (travail mécanique, chaleur, changements de phase, rayonnement), le projet a quantifié la répartition de l’énergie entre la fusion des aspérités, le cisaillement de la gouge et l’endommagement.

Nos premiers résultats sont résumés dans les articles compagnons Clerc et al. (2025) et Mollon et al. (2025). Nous avons utilisé des expériences de type « pin-on-disc » et des simulations DEM pour étudier le comportement d’aspérités uniques lors du glissement sismique, comblant ainsi le fossé entre les modèles d’aspérités et de gouge dans l’affaiblissement des failles.

Dans Clerc et al. (2025), un tribomètre sur mesure a permis de tester du marbre de Carrare dans des conditions proches du co-sismique. Les expériences ont montré que le contact évolue d’une surface lisse à faible friction vers une interface rugueuse recouverte de gouge à mesure que le glissement progresse. Les données en temps réel et les analyses post-mortem ont révélé que la production de gouge et l’usure des aspérités sont étroitement liées, la couche de gouge finissant par contrôler la friction. L’étude a démontré que les aspérités s’abrasent tout en générant de la gouge, laquelle influence ensuite la dissipation d’énergie et l’affaiblissement — remettant en question l’idée selon laquelle seules les aspérités ou la gouge domineraient la mécanique des failles.

Mollon et al. (2025) ont complété ces résultats par des simulations par éléments discrets reproduisant le dispositif expérimental. Le modèle a confirmé que des concentrations de contraintes se forment spontanément, agissant comme des aspérités qui s’usent et émettent de la gouge. Les simulations ont montré qu’une couche de gouge stable se développe, contrôlant les taux de friction et d’usure, tandis que la rugosité de surface atteint un état stationnaire. Les résultats numériques concordent avec les expériences, confirmant que l’usure des aspérités et la production de gouge dépendent de la contrainte normale et de l’historique de glissement. L’étude a également mis en évidence la co-évolution de l’épaisseur de la gouge et de la géométrie des aspérités, la gouge agissant comme un tampon qui module les contraintes et la friction.

Pris ensemble, ces travaux montrent que l’affaiblissement des failles est un processus dynamique en plusieurs étapes : les aspérités dominent initialement, mais s’usent progressivement en produisant de la gouge, qui finit par contrôler la mécanique de la faille. Ce travail unifie les modèles d’aspérités et de gouge, en proposant un cadre microscopique pour comprendre le glissement sismique et son extrapolation aux séismes naturels.

Nous avons mené une campagne expérimentale avec des vitesses de glissement et des interfaces variables, et nous nous sommes également concentrés sur des mesures thermiques sur une autre roche (quartzite). Deux articles sont en cours de rédaction et devraient être soumis pour publication très prochainement. Nous avons également conduit des études purement numériques sur d’autres types de séismes de laboratoire afin d’élargir la méthodologie numérique développée. Deux articles supplémentaires ont été publiés dans ce cadre.

L’intégration, par le projet DRAMA, des mécanismes d’aspérités et de gouge ouvre des perspectives transformantes pour la science des séismes et au-delà. En démontrant que l’affaiblissement des failles résulte de l’interaction dynamique entre aspérités et gouge — et non de l’un ou de l’autre pris isolément — il pose les bases d’un modèle physique unifié du glissement sismique. Ce changement pourrait révolutionner la manière dont nous simulons les séismes, en dépassant les lois de friction simplifiées au profit de modèles capables de capturer la complexité réelle des failles naturelles, où la rugosité, la minéralogie et les interactions avec les fluides jouent un rôle essentiel.

Une perspective majeure réside dans l’amélioration potentielle de l’évaluation de l’aléa sismique. Si les interactions entre aspérités et gouge peuvent être quantifiées et extrapolées à grande échelle, elles pourraient affiner les prédictions du comportement des failles — telles que les chutes de contrainte, la propagation des ruptures et le rayonnement d’énergie. Cela pourrait permettre des prévisions plus précises des mouvements du sol, en particulier pour les failles présentant une hétérogénéité minéralogique ou structurale connue.

Le projet établit également un pont entre la tribologie et la géophysique, deux domaines qui ont historiquement évolué séparément. En appliquant des outils tribologiques aux failles sismiques, DRAMA ne fait pas seulement progresser la science des séismes, mais apporte aussi de nouvelles perspectives pour l’ingénierie. Les industries confrontées à la friction des roches — telles que l’exploitation minière, le forage et le génie civil — pourraient bénéficier d’une meilleure compréhension de l’usure, de la génération de chaleur et de la rupture des matériaux dans des conditions extrêmes.

À l’avenir, les cadres expérimentaux et numériques développés par le projet constituent une base pour de futures recherches. Le tribomètre et les simulations DEM peuvent être adaptés à l’étude d’autres matériaux (par exemple les schistes ou les granites) ou d’autres conditions (comme des failles saturées en fluides), élargissant ainsi notre compréhension de la mécanique des failles dans divers contextes tectoniques. De plus, l’approche par bilan énergétique — qui suit la répartition du travail mécanique entre chaleur, fusion et rayonnement — pourrait devenir un outil standard pour analyser le comportement des failles, tant en laboratoire que sur le terrain.

En définitive, la plus grande contribution du projet DRAMA réside dans son potentiel à transformer notre manière de concevoir les séismes. En considérant les failles comme des systèmes dynamiques multiphysiques — plutôt que comme des plans statiques — il ouvre la voie à des modèles plus réalistes, à une meilleure évaluation des risques et, potentiellement, à de nouvelles stratégies de réduction du risque sismique. Le projet ne se contente pas de répondre à des questions : il les redéfinit, orientant le dom

Les failles sismiques sont le lieu où surviennent les tremblements de terre, lorsque les contraintes accumulées dans la roche environnante sont soudainement relâchées, avec parfois des conséquences dramatiques. La faille entre alors en glissement, et de nombreux phénomènes thermomécaniques se déroulent en son sein. Le projet DRAMA vise à améliorer notre compréhension de ces phénomènes en reproduisant en laboratoire les conditions de glissement sismique d'une aspérité de faille. La question est de déterminer dans quelles conditions celle-ci va fondre (lubrifiant la faille et encourageant le glissement) ou s'abraser (relâchant dans l'interface un remplissage de gouge granulaire qui va modifier son comportement au frottement). Plusieurs moyens instrumentaux seront utilisés pour décrire et quantifier le budget énergétique à l'échelle de l'aspérité, et un modèle numérique complexe et innovant sera utilisé pour reproduire l'expérience et construire une loi de frottement locale.