Caractérisation expérimentale du frottement effectif des zones de faille

Guillaume Chambon

Abstract : We present a series of experimental results aiming at modeling the mechanical behavior of fault zones. We employed an annular simple shear apparatus allowing to apply plurimetric shear displacements to thick granular gouge samples (quartz sand). Our results evidence a new, spectacular slip-weakening process: the effective coefficient of friction of the gouge drops by about 70% over decimetric slip distances. This friction decrease with imposed slip is very well modeled by a power law, thus not featuring any characteristic length scale. Furthermore, and for the first time in an experimental study, the apparent weakening distance as well as the rupture energy involved in this new slip-weakening process appear in good quantitative agreement with those estimated for large earthquakes. We propose to include this slip-weakening into an extension of the classical rate- and state-dependent friction laws. Besides these mechanical measurements, an image correlation technique also enabled us to monitor the microscopic deformations inside the samples during the runs. We observe that, soon after the onset of slip, the deformation localizes inside a comminuted shear band whose thickness remains remarkably constant with ongoing shear. This shear band is separated from the rest of the sample by a thin and indurated transition layer. We also report that the macroscopic slip-weakening process is systematically associated, outside of the shear band, to a slow relaxation of the local strain increments. We interpret both the micro- and the macro-relaxations as resulting from a progressive decoupling between the shear band and the bulk of the sample. The mechanical, effective thickness of the gouge samples thus appears significantly larger than the thickness of the shear band alone. We propose to extrapolate our mechanical and microscopic results to real fault zones, whose structure frequently presents strong analogies with that of our sheared samples.

Résumé : Nous présentons une série de résultats expérimentaux visant à modéliser le comportement mécanique d'une zone de faille. Nous avons utilisé un appareil de cisaillement simple annulaire permettant d'appliquer des cisaillements plurimétriques à des échantillons épais de gouge granulaire (sable de quartz). Nos résultats mettent en évidence un nouveau processus spectaculaire d'adoucissement en glissement: le coefficient de frottement effectif de la gouge décroît de 70% sur des distances caractéristiques décimétriques. La diminution progressive du frottement avec le glissement est bien représentée par une loi puissance sans échelle caractéristique de longueur. On constate que ce nouveau processus d'adoucissement permet de rendre compte quantitativement des distances d'adoucissement apparentes et des énergies de fracture mises en jeu durant les grands séismes. Nous proposons de l'inclure dans une extension des lois de frottement classiques de type RSF (``rate- and state-dependent friction''). Outre ces résultats macroscopiques, nous avons aussi pu mesurer, par corrélations d'images, les déformations microscopiques à l'intérieur des échantillons. Dès le début du glissement, la déformation se localise dans une bande de cisaillement broyée d'épaisseur constante. Cette bande est séparée du reste du matériau par une fine zone de transition indurée. On remarque que le processus d'adoucissement macroscopique est systématiquement associé à un effet de relaxation lente des incréments de déformation hors de la bande de cisaillement. Nous interprétons ces deux processus concomitants comme résultant d'un découplage progressif entre la bande de cisaillement et le reste de l'échantillon. L'épaisseur mécanique effective de la gouge est donc significativement plus grande que l'épaisseur de la bande de cisaillement. Nous proposons d'extrapoler nos résultats aux zones de faille naturelles, dont la structure présente souvent de fortes analogies avec celle de nos échantillons cisaillés.

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