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De nouveaux calculs sismiques prédisent leur destructivité probable

Le modèle de diapositive de défaillance Pinball reprend les techniques des mathématiques des avalanches




Des tremblements répétés ont secoué le centre de Taïwan pendant plusieurs jours et semaines après le tremblement de terre de magnitude 7,7 qui s'est produit en 1999. Le nouveau modèle de tremblement de terre a pu expliquer la puissance différente de ces chocs.

Lorsqu'un défaut glisse , il génère toute une séquence d'ondes sismiques différentes. De longues vagues de basse fréquence peuvent se propager sur une grande distance de la source et balancer des bâtiments élevés tels que des gratte-ciel. Les ondes à haute fréquence secouent parfaitement les maisons et les ponts, et parfois les détruisent complètement. Pendant la majeure partie des cinquante dernières années, les sismologues ont supposé que l'ensemble de ces ondes génère des frottements qui se produisent lorsque la faille glisse.

Maintenant, quelques géologues de l'Université Brown ont publié leur propre histoire de l'origine des vagues. À l'aide de modèles mathématiques inspirés du comptage des glissements de terrain et des avalanches, les chercheurs soutiennent que ces ondes destructives à haute fréquence sont générées non pas par le glissement lui-même, mais par les processus géologiques se produisant à l'intérieur de la faille, qui rappellent un jeu de flipper .

"Ils deviennent assez jolis", a déclaré Elizabeth Cochran , sismologue à l'US Geological Survey. "Il ne me serait certainement pas venu à l'esprit de décrire la faute comme ils l'ont fait."

Le nouveau modèle, publié le mois dernier dans la revue Geophysical Research Letters, devra encore être testé lors de futurs tremblements de terre pour voir avec quelle précision il prédit leurs propriétés. Cependant, s'il est confirmé, il inversera notre compréhension du potentiel destructeur des tremblements de terre et peut-être contribuera à sauver des vies.

Flipper géologique


Selon les modèles traditionnels de tremblements de terre, lorsqu'un bloc de la croûte terrestre commence à glisser et à se frotter contre un autre, le frottement entre eux génère des ondes sismiques. Les sismologues reconnaissent la simplicité de ces modèles par rapport aux processus réels se produisant dans la zone de la ligne de faille. Cependant, ils décrivent avec précision la composante basse fréquence d'un ensemble d'ondes sismiques - un indicateur précoce critique de la magnitude du séisme et des informations vitales.

Cependant, les modèles traditionnels ne sont pas en mesure d'expliquer le grand nombre d'ondes à haute fréquence générées par le tremblement de terre, a expliqué Lucille Bruhat., expert en physique des séismes de l'Ecole Normale Supérieure de Paris, qui n'a pas participé à cette étude. Cela devient un problème lorsque vous essayez de comprendre pourquoi certaines fissures sont plus dommageables.

Cochran fait valoir que les modèles traditionnels associent ces ondes haute fréquence à des oscillations de défauts - des mouvements de fissures imprévisibles, qui surviennent parfois, puis se désintègrent. Cependant, comme la physique de la fissuration est très difficile à étudier, de telles hypothèses ne sont pas faciles à confirmer. "Vous ne pouvez pas faire un tremblement de terre dans un laboratoire", a déclaré Robert Graves , un géophysicien de l'US Geological Survey qui n'a pas participé à cette étude.


Dans les modèles traditionnels, les ondes haute fréquence sont associées à des oscillations de défauts - mouvements de fissures imprévisibles, parfois survenant, puis amortissants.
Le nouveau modèle «flipper» parle de la collision de différentes pierres entre elles, générant des ondes haute fréquence. La taille des pierres varie de quelques mètres de diamètre au terrain de football.
De longues vagues de basse fréquence peuvent parcourir une longue distance de la source et balancer des bâtiments élevés comme des gratte-ciel.
Les ondes à haute fréquence secouent parfaitement les maisons et les ponts, et parfois les détruisent complètement.

Pour mieux comprendre ces vagues, Victor Tsai et Greg Hirth, deux géologues de l'Université Brown, ont étudié les mathématiques des coulées de débris - lorsque des pierres de différentes tailles entrent périodiquement en collision. Ils l'ont ensuite appliqué aux failles émergentes. Il n'y a pas beaucoup d'espace libre à l'intérieur de la faille, donc ce qui se passe fait penser à un "flipper rempli de billes", a déclaré Tsai. Les ballons sont des pierres de différentes tailles, de plusieurs mètres de diamètre à un terrain de football.

Lorsque Tsai et Hirt ont ajouté cette foule aux modèles traditionnels, la combinaison résultante a décrit à la fois les ondes basse fréquence et leurs homologues haute fréquence.

Dans une certaine mesure, le mécanisme du flipper peut être considéré comme une extension des idées traditionnelles selon lesquelles les saillies et les bosses situées sur les murs de faille sont responsables des ondes haute fréquence. Cependant, Tsai et Hirth ont développé cette idée, développé un mécanisme spécial de flipper et étudié les mathématiques exactes qui la décrivent. Ils ont transformé l'hypothèse en quelque chose de tangible et vérifiable. Ils n'essaient pas seulement «de faire de la science abstraite», a déclaré Bruhat. «Ils essaient vraiment de tester une idée physique et de voir comment elle fonctionne.»

Pierres et surfaces dures


Ce nouveau modèle pourrait aider à résoudre des énigmes sismologiques de longue date. Par exemple, en 1999, Taiwan a souffert d'un tremblement de terre mortel de magnitude 7,7. Lors de chocs répétés, certaines parties de la faille se sont à nouveau fissurées et à chaque fois la terre s'est déplacée dans la même direction. Cependant, l'ampleur de ces chocs était en constante évolution pour une raison quelconque.

Les modèles traditionnels ne fournissent pas d'explications satisfaisantes à ce fait. Mais selon le nouveau modèle de «flipper», tous ces chocs répétitifs sont liés au fait que des «balles» de même taille frappent le même point de défaut, provoquant le déplacement de la terre dans une direction. Cependant, certains chocs répétitifs se sont probablement produits à la suite d'un plus grand nombre de coups simultanés, c'est pourquoi leur ampleur était plus élevée.

Le nouveau modèle peut également expliquer pourquoi les tremblements de terre sur les failles matures - les anciennes qui ont glissé à plusieurs reprises - entraînent généralement moins de dégâts que les tremblements de terre de même ampleur sur les failles fraîches. Les tremblements de terre de la première catégorie avec une longue histoire de tremblements ont constamment broyé leurs gros fragments, ce qui entraîne moins de collisions et les ondes haute fréquence générées s'affaiblissent.

Graves dit que si le modèle est confirmé, les scientifiques peuvent étudier attentivement les zones de faille et utiliser leur géométrie pour prédire les ondes destructives à haute fréquence des futurs tremblements de terre. En outre, cette idée peut fonctionner dans l'autre sens: si le modèle donne une description plus précise de la composante à haute fréquence du tremblement de terre, les scientifiques seront probablement en mesure de déterminer plus précisément les propriétés géométriques responsables des chocs, a déclaré Bruhat.

Il faudra de nombreuses autres cascades de tremblements de terre qui ont été observées à Taiwan - ainsi que des chocs causés par des failles matures et immatures - pour évaluer les avantages et les inconvénients relatifs des anciens et des nouveaux modèles. Les sismologues voudront voir lequel décrit le mieux les observations qu'ils recevront en surface.

Cependant, le nouveau modèle semble «définitivement intrigant», a déclaré Graves. "Je pense que c'est crédible et mérite des tests supplémentaires."

"J'admets moi-même immédiatement qu'il n'y a aucune preuve que ce modèle est définitivement correct, et l'ancien est définitivement faux", a déclaré Tsai. Cependant, si de nouvelles idées prouvent leur supériorité, cela obligera les sismologues à «repenser leur compréhension des tremblements de terre».

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