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Des séismes dans les bacs à sable !

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Il y a trois grands domaines de recherche en physique, les infiniment grand et petit et enfin l'infiniment complexe. Un groupe de chercheurs de l'Université de Calgary s'occupe de ce dernier. Partis à la recherche de lois dans les processus complexes de formation des réseaux fractals de fracturation dans les matériaux, ils sont tombés sur une surprise. Que ce soit avec du grès, formé de grains de sable agglomérés, ou avec du granit, le son produit par la formation des microfractures possède une structure identique, la même que celle que l'on retrouve dans un séisme !

Grès (Crédits : Mineral Information Institute).

A côté des problèmes fascinants de la cosmologie quantique et de l'unification des champs de particules élémentaires s'étend un large domaine tout aussi intéressant où abondent les problèmes et les énigmes dont les solutions nous donneraient une plus large compréhension et maîtrise de l'Univers : celui des sciences de la complexité.

Prenons l'exemple de la physique des roches. Elle est essentielle pour un géologue cherchant à comprendre la Terre et son évolution, et aussi pour un ingénieur désireux de construire un ouvrage d'art dans un lieu donné, ou cherchant à utiliser un type de matériau adéquat pour cela. Un problème central est alors de déterminer comment une roche résiste aux contraintes mécaniques, à quel moment elle casse et comment. A part pour la sécurité des bâtiments, on comprend aisément l'impact de ce type de recherches sur la compréhension et la prévision des séismes.

Indépendamment de cela, bien sûr, les structures physiques rencontrées dans les roches ont leur beauté et leur séduction intrinsèques, et après tout, c'est bien aussi pour cela que certains les étudient.

Dans le cas présent, il faut savoir que beaucoup de roches sont constituées de grains différents entre eux par la forme, la taille ou tout simplement la composition chimique. Pour couronner le tout, la façon dont ils s'arrangent pour former les roches peut être assez complexe elle aussi.

A priori, cela rend la détermination des seuils de rupture des roches, ainsi que la détermination des lois de propagation des fractures, plutôt difficiles car ils devraient être très variables d'un matériau à un autre et dépendre de nombreux facteurs.

Néanmoins, Jörn Davidsen de l'université de Calgary et ses collègues de l'Université de Postdam se sont attaqués eux aussi à ce problème. Ils ont pris des échantillons de grès, de granit et de basalte, ce qui permet de balayer un large spectre des roches les plus abondantes sur Terre. Ils les ont soumis à des pressions et ont enregistré les sons émis par la formation de microfractures, juste avant que ces roches ne cèdent.

L'équipe a alors analysé la composition spectrale de ce son, et surtout, le temps moyen séparant chaque microfracture. C'est important, car cela doit permettre de déterminer la façon dont celles-ci s'ajoutent pour déterminer la rupture des roches à plus grande échelle.

Le résultat a été étonnant. Le temps séparant chacune des microfractures suit une même loi de probabilité, la loi gamma d'Euler, et ce quel que soit le matériau et le temps moyen séparant les microfractures ! Là où ça devient vraiment très intéressant, c'est que l'analyse du son produit par les mêmes microfractures, lors d'un séisme, montre les même types de structures.

Un enfant jouant dans un bac à sable exerçant lui aussi des contraintes mécaniques sur les grains de sable, en toute logique, les microfracturations produites doivent générer un signal sonore qui, bien qu'extrêmement faible, doit partager des points communs avec celui accompagnant les séismes.

Il semblerait donc, qu'en partie au moins, les détails microscopiques de la structure des roches ne soient pas essentiels pour comprendre leur rupture, et que des lois universelles soient à l'oeuvre. De quoi maintenir l'espoir de ceux qui pensent un jour arriver à prédire des séismes, et ainsi, sauver la vie de centaines de milliers de personnes.