Thermo-hydro-mechanical couplings and strain localization in Cosserat continua : application to stability analysis of rapid shear in faults

Couplages thermo-hydro-mécanique et localisation dans les milieux de Cosserat : application à l'analyse de stabilité du cisaillement rapide des failles Les matériaux soumis à de grandes déformations présentes pour la plupart l’apparition de déformations inélastiques. Ce phénomène est souvent accompagné d’une localisation des déformations dans une zone étroite, précurseur de la rupture. Un cas particulier, mais très fréquent, est les bandes de cisaillement qui apparaissent pour beaucoup de géomatériaux. Ces bandes peuvent être rencontrées à des échelles allant de l’échelle kilométrique pour les zones de subduction à l’échelle micrométrique à l’intérieur des zones de faille. Etudier et modéliser la création de ces zones d’instabilité est fondamental pour décrire la rupture des géomatériaux et des phénomènes associés comme les glissements sismiques dans les zones de faille mature de la lithosphère. Les conditions de pression, de température, l’interaction de l’eau interstitielle avec un matériau finement fracturé conduisent à l’apparition de multiples processus physiques impliqués dans les glissements sismiques. Dans ce travail, nous nous attachons à modéliser la création de bandes de cisaillement à l’intérieur des gouges de faille en prenant en compte l’effet de la microstructure par l’intermédiaire des milieux continus de Cosserat, ainsi que les couplages thermo-hydro-mécanique. L’utilisation de la théorie de Cosserat permet non seulement de régulariser le problème de localisation des déformations par l’introduction d’une longueur interne dans les lois constitutives, mais en même temps de prendre en compte l’effet de la microstructure. Deux approches sont employées pour étudier le système d’équations couplées aux dérivées partielles non linéaires : L’analyse de stabilité linéaire et la méthode des éléments finis. L’analyse de stabilité linéaire permet d’examiner les conditions d’apparitions d’instabilités pour un système mécanique avec des couplages multi-physiques. Par ailleurs, des considérations sur les perturbations appliquées au système permettent aussi de déterminer l’épaisseur de la zone de cisaillement, un paramètre clé pour la compréhension du mécanisme mécanique des failles. Ces estimations sont confirmées par l’intégration numérique pour des déformations restant dans une gamme donnée. Elles sont confrontées aux observations expérimentales et in situ et présentent une bonne corrélation. D’autre part, les simulations numériques permettent d’obtenir la réponse mécanique de la gouge de faille et de donner des informations sur l’influence des différents couplages dans le budget énergétique d’un tremblement de terre