Harsha S. Bhat :: Endommagement et transition supershear

Signature de la transition supershear dans une zone d'endommagement cosismique

Proceedings of the Royal Society A.

Jorge Jara$^{1}$, Lucile Bruhat$^{1}$, Marion Y. Thomas$^{2}$, Solène L. Antoine$^{3}$, Kurama Okubo$^{4}$, Esteban Rougier$^{5}$, Ares J. Rosakis$^{6}$, Charles G. Sammis$^{7}$, Yann Klinger$^{3}$, Romain Jolivet$^{1,8}$ and Harsha S. Bhat$^{1}$

1. Laboratoire de Géologie, Département de Géosciences, Ecole Normale Supérieure, CNRS, UMR 8538, PSL Université, Paris, France
2. Institut des Sciences de la Terre de Paris, Sorbonne Université, CNRS, UMR 7193, Paris, France
3. Université de Paris, Institut de Physique du Globe de Paris, CNRS, 75005 Paris, France
4. National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience, 3-1 Tennnodai, Tsukuba 305-0006, Ibaraki, Japan
5. EES-17 – Earth and Environmental Sciences Division, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, USA
6. Graduate Aerospace Laboratories, California Institute of Technology, Pasadena, California, 91125, USA
7. Department of Earth Sciences, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, USA
8. Institut Universitaire de France, 1 rue Descartes, 75005 Paris, France

Résumé scientifique

Les séismes dit « supershear » sont le type de séisme le plus rare. Ils se produisent lorsque la vitesse du séisme (4 à 5 km/s) dépasse la vitesse des ondes de cisaillement (3,5 km/s) dans la roche hôte. C'est un peu comme un avion supersonique qui dépasse la vitesse du son. Il est très difficile d'observer l’instant et la durée de la transition d'un séisme vers une vitesse supershear dans la nature, les séismes de laboratoire et les modèles numériques.

Dans ce travail pionnier et pluridisciplinaire, nous fournissons une signature robuste permettant d’observer une telle transition dans la nature. En combinant des modèles théoriques de fracture dynamique, des modèles informatiques avancés de tremblements de terre et des techniques d'observation de pointe, nous montrons de manière concluante que la meilleure signature d'une transition supershear ne se trouve pas sur, mais en dehors de la faille accueillant le tremblement de terre.

Nous commençons par un modèle idéalisé de séisme et développons des arguments théoriques qui montre que la contrainte ressentie par le milieu entourant une faille diminue progressivement lorsque la vitesse du séisme se rapproche de la vitesse des ondes de cisaillement. Pour les matériaux fragiles comme les roches, cela signifie qu'elles sont alors moins susceptibles de se fracturer. Nous prédisons donc qu'aux environs de la zone de transition supershear nous devrions voir moins de fractures autour de la faille. À l'aide de modèles de calculs avancés, nous validons cette prédiction : nous réexaminons plusieurs séismes qui sont montés en supershear et recherchons cette réduction des fractures hors faille (zone de dommages). En utilisant des techniques de corrélation d'images satellites dont on peut déduire la zone de dommages, et la distribution des répliques qui éclairent indirectement cette zone, nous vérifions de manière concluante les prédictions des modèles.

Ainsi, lorsqu'un séisme atteint une vitesse supershear sur la faille, cela entraîne une réduction des fractures autour de celle-ci : voici une nouvelle preuve laissée par un insaisissable séisme supershear.

Jara, J., Bruhat, L., Thomas, M. Y., Antoine, S., Okubo, K., Klinger, Y., Jolivet, R., & Bhat, H. S. (2021). Signature of transition to supershear rupture speed in coseismic off-fault damage zone. Proc. R. Soc. A., 477, 20210364. doi: 10.1098/rspa.2021.0364