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Alexandre Schubnel : Médaille de bronze du CNRS

Depuis son recrutement au laboratoire de Géologie en octobre 2006, A. Schubnel a fortement contribué à la mise en place d’un ensemble expérimental de mécanique et physique des roches de très haut niveau permettant de couvrir les gammes de pressions et températures régnant dans la croûte supérieure terrestre. Cet ensemble expérimental, unique au monde (en particulier grâce à un système d’enregistrement acoustique à très haute fréquence), place aujourd’hui le laboratoire de Géologie de l’ENS dans une position enviée à l’échelle internationale. Il permet aussi bien l’étude des roches réservoirs et de couverture (ressources naturelles et stockage) que l’étude expérimentale de la mécanique des failles (sismologie de laboratoire) travaux aujourd’hui récompensés par la médaille de bronze du CNRS.

1/ En quelques années, des progrès instrumentaux de tout premier ordre

2007 : Acquisition d’une nouvelle presse tri-axiale :

Cette cellule, construite par la société ST est dimensionnée pour des pressions allant jusqu’à 100 MPa, et des températures de 200°C. 16 passages internes de fils coaxiaux permettent une instrumentation acoustique de très haute qualité.

2008 : Mise en place d’un système d’enregistrement acoustique haute fréquence - Richter Mini-System :

Ce système unique au monde permet de suivre en temps réel la localisation de la déformation, l’ endommagement et la circulation de fluides à partir de leur signature acoustique. Ces récentes avancées dans les technologies des émissions acoustiques permettent de faire le lien entre sismologie et physique des roches.

2014  : Installation d’une presse de Griggs, équipée en acoustique :

Il s’agit d’un appareil expérimental à pression solide de nouvelle génération qui pourra atteindre des pressions de l’ordre de 4 GPa. Cette nouvelle presse sera équipée d’un système d’enregistrement d’émissions acoustiques et de mesures de vitesses ultrasoniques.

2/ des résultats scientifiques de premier plan

1) Etude de la propagation dynamique de la rupture

Un des problèmes majeurs mis en relief par les travaux théoriques et les données de terrain récentes, concerne la répartition de l’énergie libérée pendant un séisme. Celle-ci dépend de la vitesse de propagation de la fracture qui génère le séisme (sub-sonique ou supersonique par exemple), ainsi que des sauts brutaux de la vitesse de propagation, c’est à a dire des accélérations/décélérations brusques du front de rupture. Notre système permet donc à présent d’étudier l’énergid raonjée par des nano-séismes reproduits au laboratoire (Schubnel et al. 2011 ; Passelègue et al. 2013), dans un système dont la mise à l’échelle permet de quantifier les spectres d’accélérations potentiels du sol auxquelles on peut s’attendre pour un type de séisme naturel particulier.

2) Déshydrations, transitions de phases et sismicité profonde.

Alors que les tremblements de Terre superficiels ont lieu dans des zones où les contraintes normales et la température sont relativement faibles (sn < 0.5 GPa, T < 500°C), et les contraintes déviatoriques sont fortes ( 0.5-1GPa), les tremblements de Terre intermédiaires et profonds (400-700km) ont lieu au contraire dans des conditions extrêmes (sn entre 1-20 GPa, T d’environ 1200°C, faibles contraintes déviatoriques) où il est mécaniquement difficile d’envisager la propagation dynamique de fractures. Nos études préliminaires sur la transformation olivine-spinelle (Schubnel et al. 2013) ont montré que la nucléation de la phase spinelle s’accompagnait de propagation dynamique de fissures en mode II, dans une gamme de pression – température très limitée, où l’olivine est fortement métastable (forte pression), et où la cinétique de la transformation reste encore très lente (faible température).

3) Couplages thermo-hydro-chemo-mécaniques (THMC) au cours du glissement

La diminution de la résistance au frottement des roches au cours du glissement sismique contrôle la dynamique des tremblements de terre (taille, vitesse et mode de rupture). A haute vitesse de glissement (de l’ordre de 1 m/s), l’échauffement par dissipation d’énergie mécanique a un fort impact sur les processus frictionnels. A travers un travail expérimental et théorique, nous avons démontré que l’échauffement frictionnel pouvait induire des réactions de décomposition minérale. Ces réactions, véritables pompes à chaleur, limitent l’élévation de température co-sismique sur le plan de faille, mais sont aussi des sources importantes de fluides qui facilitent la lubrification du glissement pendant la propagation des séismes (Brantut et al. JGR 2008, 2010 ; 2011a ; Brantut et al. Geology 2010). Ce travail, réalisé dans le cadre de la thèse de doctorat de M. Nicolas Brantut, a été récompensé du prix de thèse 2011 par le Comité National Français de Géodésie et de Géophysique (CNFGG).