SLIP-WEAKENING MECHANISMS AT HIGH SLIP-VELOCITIES: INSIGHTS FROM ANALOGUE AND NUMERICAL MODELLINGS
MECANISMES D'AFFAIBLISSEMENT À VITESSE DE CISAILLEMENT ELEVEE: EXEMPLES DE MODELES ANALOGUES ET NUMERIQUES
Résumé
This thesis aims at studying the thermo-poro-mechanical properties of fault rock materials by means of field analysis of an exhumed fault and laboratory experiments, in order to determine the processes responsible of the efficiency of two thermally-activated slip-weakening mechanisms: the thermal pressurization and the moisture-drained weakening mechanism. The field study was conducted on well-exposed outcrops of a potentially active strike-slip fault that belongs to the Western Chugoku fault system (Japan): the Usukidani fault. The experimental work was conducted in the rock deformation laboratory at Kyoto University. The primary results of this research are exposed below.
The hydrological and poroelastic properties of gouge and breccia of the Usukidani fault have been determinated on laboratory from retrieved samples. The thermal pressurization process has been investigated in cases of slip along a principal slip zone and along splay faults branching off the principal displacement zone, from a numerical model constrained by these hydraulic data. Modelling results suggest that thermal pressurization is a viable process only as long as the rupture remains located in the central gouge zones or in mature splay fault gouge zones.
To identify the particle dynamic processes responsible of slip-weakening in clay-rich seismic slip zones, several rotary-shear experiments were conducted at coseismic slip-rates (equivalent to 0.09, 0.9 and 1.3 m/s) for different gouge water contents: wet initial conditions or dry initial conditions. The representative mechanical behavior of the simulated faults show a slip-weakening behavior, whatever initial moisture conditions. Detailed examination of gouge microstructures obtained at the residual friction stage in wet and dry initial conditions allows to define two types of microstructure implying two deformation regimes: a rolling regime with formation of clay-clast aggregates, and a sliding regime with formation of a complex shear zone localized at the gouge-wall-rock interface. The observed slip-weakening behavior of simulated faults appears to be related to a decrease of the proportion of grain rolling to grain sliding with increasing slip displacement and appears to be favored by the development of clay-clast aggregates, which is controlled by water content.
From a numerical model (P2 FEM) based on shear stress data, the temperature rise on the simulated fault gouge with increasing slip displacement is approached. Modelling results suggest that the slip-weakening distance dc might represent the necessary slip distance to produce and diffuse enough heat throughout the fault gouge layer to break liquid capillary bridge and to drain off completely pore water and adsorbed water at contact area of gouge particles, that is the thermally-activated moisture-related weakening mechanism.
The hydrological and poroelastic properties of gouge and breccia of the Usukidani fault have been determinated on laboratory from retrieved samples. The thermal pressurization process has been investigated in cases of slip along a principal slip zone and along splay faults branching off the principal displacement zone, from a numerical model constrained by these hydraulic data. Modelling results suggest that thermal pressurization is a viable process only as long as the rupture remains located in the central gouge zones or in mature splay fault gouge zones.
To identify the particle dynamic processes responsible of slip-weakening in clay-rich seismic slip zones, several rotary-shear experiments were conducted at coseismic slip-rates (equivalent to 0.09, 0.9 and 1.3 m/s) for different gouge water contents: wet initial conditions or dry initial conditions. The representative mechanical behavior of the simulated faults show a slip-weakening behavior, whatever initial moisture conditions. Detailed examination of gouge microstructures obtained at the residual friction stage in wet and dry initial conditions allows to define two types of microstructure implying two deformation regimes: a rolling regime with formation of clay-clast aggregates, and a sliding regime with formation of a complex shear zone localized at the gouge-wall-rock interface. The observed slip-weakening behavior of simulated faults appears to be related to a decrease of the proportion of grain rolling to grain sliding with increasing slip displacement and appears to be favored by the development of clay-clast aggregates, which is controlled by water content.
From a numerical model (P2 FEM) based on shear stress data, the temperature rise on the simulated fault gouge with increasing slip displacement is approached. Modelling results suggest that the slip-weakening distance dc might represent the necessary slip distance to produce and diffuse enough heat throughout the fault gouge layer to break liquid capillary bridge and to drain off completely pore water and adsorbed water at contact area of gouge particles, that is the thermally-activated moisture-related weakening mechanism.
Cette thèse vise à étudier les propriétés thermo-poro-mécaniques de roches de faille, à partir de l'analyse structurale et microstructurale d'une faille aujourd'hui à l'affleurement et à partir d'expériences menées en laboratoire, en vue de déterminer les processus qui contrôlent l'efficacité de deux mécanismes responsables de d'affaiblissement cosismiques : la pressurisation thermique et le mécanisme d'affaiblissement par drainage. L'étude de terrain a été conduite sur deux affleurements appartenant à une faille décrochante potentiellement active appartenant au système de failles du Chugoku occidental (Japon) : la faille d'Usukidani. Le travail expérimental a quant à lui été mené dans le laboratoire de déformation des roches de l'Université de Kyoto. Les résultats majeurs de ce travail sont exposés ci-dessous.
Les propriétés hydrologiques et poro-élastiques de la gouge et de la brèche de la faille d'Usukidani ont été determinées à partir d'échantillons prélevés sur le terrain. Ces données hydrauliques ont ensuite été utilisées dans un modèle numérique afin d'évaluer l'importance du phénomène de pressurisation thermique dans le cas d'un glissement cosismique le long de la zone de glissement principale et le long de zones de glissement secondaires. Les résultats de cette modélisation suggèrent que le mécanisme de pressurisation thermique n'est efficace que si la rupture reste localisée le long des zones de glissement contenant de la gouge, avec comme facteur de contrôle l'épaisseur de cette zone de glissement.
Afin d'identifier les processus dynamiques particulaires responsables de l'affaiblissement cosismique dans la zone de glissement, plusieurs essais de friction ont été menés sur une machine à cisaillement annulaire. Ces expériences ont été conduites à des vitesses cosismiques (équivalentes à 0,09, 0,9 et 1,3 m/s) en conditions humides ou conditions sèches. Les données obtenues montrent que quelles que soient les conditions d'humidité initiales, les failles simulées montrent toutes un affaiblissement lors du déplacement. Un examen détaillé des microstructures des gouges cisaillées obtenues une fois l'équilibre frictionnel atteint permet de définir deux types de microstructures impliquant deux régimes de déformation : un régime de déformation par roulement avec la formation d'agrégats argileux, et un régime de déformation par glissement avec la formation d'une zone de cisaillement complexe localisée à l'interface gouge-éponte. L'affaiblissement observé lors des expériences semble être lié à une diminution de la proportion de grains roulants par rapport à celle de grains glissants, et semble être favorisé par le développement des agrégats argileux, lesquels sont contrôlés par la teneur en eau.
A partir d'un modèle numérique (P2 FEM) et des données de contrainte cisaillante obtenues lors des essais de friction, il a été possible de calculer l'évolution de la température de la gouge en fonction du déplacement. Les résultats suggèrent que la distance dc pourrait représenter la distance nécessaire à une faille pour produire et diffuser assez de chaleur afin de casser les ponts d'eau capillaire (forces d'adhésion) et ainsi permettre à l'eau contenue dans la gouge d'être libérée. Ce mécanisme est appelé mécanisme d'affaiblissement par drainage.
Les propriétés hydrologiques et poro-élastiques de la gouge et de la brèche de la faille d'Usukidani ont été determinées à partir d'échantillons prélevés sur le terrain. Ces données hydrauliques ont ensuite été utilisées dans un modèle numérique afin d'évaluer l'importance du phénomène de pressurisation thermique dans le cas d'un glissement cosismique le long de la zone de glissement principale et le long de zones de glissement secondaires. Les résultats de cette modélisation suggèrent que le mécanisme de pressurisation thermique n'est efficace que si la rupture reste localisée le long des zones de glissement contenant de la gouge, avec comme facteur de contrôle l'épaisseur de cette zone de glissement.
Afin d'identifier les processus dynamiques particulaires responsables de l'affaiblissement cosismique dans la zone de glissement, plusieurs essais de friction ont été menés sur une machine à cisaillement annulaire. Ces expériences ont été conduites à des vitesses cosismiques (équivalentes à 0,09, 0,9 et 1,3 m/s) en conditions humides ou conditions sèches. Les données obtenues montrent que quelles que soient les conditions d'humidité initiales, les failles simulées montrent toutes un affaiblissement lors du déplacement. Un examen détaillé des microstructures des gouges cisaillées obtenues une fois l'équilibre frictionnel atteint permet de définir deux types de microstructures impliquant deux régimes de déformation : un régime de déformation par roulement avec la formation d'agrégats argileux, et un régime de déformation par glissement avec la formation d'une zone de cisaillement complexe localisée à l'interface gouge-éponte. L'affaiblissement observé lors des expériences semble être lié à une diminution de la proportion de grains roulants par rapport à celle de grains glissants, et semble être favorisé par le développement des agrégats argileux, lesquels sont contrôlés par la teneur en eau.
A partir d'un modèle numérique (P2 FEM) et des données de contrainte cisaillante obtenues lors des essais de friction, il a été possible de calculer l'évolution de la température de la gouge en fonction du déplacement. Les résultats suggèrent que la distance dc pourrait représenter la distance nécessaire à une faille pour produire et diffuser assez de chaleur afin de casser les ponts d'eau capillaire (forces d'adhésion) et ainsi permettre à l'eau contenue dans la gouge d'être libérée. Ce mécanisme est appelé mécanisme d'affaiblissement par drainage.
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