Stress gum 212

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G141 Séismes et volcans STRESS, SOUCHE ET LA PHYSIQUE DE SÉISME GENERATION, par le Dr Michael Hamburger, Université de l'Indiana En science, les questions les plus simples se révèlent souvent être parmi les plus difficiles à répondre. La même chose est vraie de la sismologie. La première question qui vient à l'étudiant de séismologie - Pourquoi les tremblements de terre se produisent - appelle habituellement de suite, une réponse détournée de longue haleine. Ce bien nous ne savons: que les tremblements de terre sont liés à la fracturation de la croûte terrestre, et que cette fracturation résulte de forces appliquées sur les roches de la croûte. Ainsi, nous devons d'abord comprendre quelque chose au sujet de la nature des forces qui agissent sur la Terre alors nous devons explorer le comportement des matériaux de la Terre lorsqu'ils sont soumis à ces forces et enfin, nous devons examiner les processus qui conduisent à l'échec catastrophique de la roche. Dans le chapitre précédent, nous avons examiné certains des processus profonds de la tectonique des plaques qui mènent au mouvement des terres __gVirt_NP_NNS_NNPS<__ plaques lithosphériques. Dans ce chapitre, nous examinons la manière dont ces forces peuvent agir sur les rochers dans la croûte terrestre, et à son tour, pour déclencher des tremblements de terre. Parce que les tremblements de terre se produisent quelque 10-20 km en dessous de la surface de la Terre, il est souvent difficile pour les géologues de déduire les conditions exactes qui conduisent à la fracturation liée aux tremblements de terre. Comme alternative, les géologues ont tenté d'examiner le comportement des roches dans des conditions contrôlées en laboratoire. Les géologues peuvent étudier comment se comportent les roches en les soumettant à des forces importantes, sous une grande variété de conditions, telles que la température ambiante, pression, teneur en eau, ou dans un environnement chimique. La discipline de la mécanique des roches consiste à caractériser le comportement physique des matériaux de terre dans le laboratoire. Une compréhension plus complète de ce qui contrôle la fracture de la roche est également cruciale pour comprendre les causes fondamentales des tremblements de terre, et, finalement, comment les prévoir. Stress, Strain et Déformation Afin de comprendre les forces qui génèrent des tremblements de terre, nous avons d'abord besoin de se familiariser avec une partie de la terminologie spéTadalafilée de la mécanique des roches. Quelle mesure pouvons-nous utiliser pour décrire les forces qui agissent sur un corps de roche Nous devons commencer par une définition simple de la force - remontant à Isaac Newtons classique du 17ème siècle voies sur la physique, Principia. Quelqu'un se souvient Newtons deuxième loi du mouvement de Newton a exprimé cette relation dans sa fameuse équation où F représente la force appliquée à un corps, m est sa masse, et est l'accélération (le taux de variation de sa vitesse) induite par la force. Ainsi, une force peut être calculée en mesurant la masse d'un objet (exprimée en unités de kg, soit kg), et la vitesse à laquelle il accélère (unités de mètres par seconde par seconde, ou m / s 2) lorsqu'elle est soumise à la force. Notez que bien que nous échangeons souvent les concepts, ce que nous appelons le poids d'un objet est pas sa masse, mais la force agissant sur cet objet par la gravité terrestre. Ainsi, la force peut être exprimée en unités de kg m / s 2 ou, pour plus de commodité, newtons (ou N). Juste pour confondre les étudiants débutants de la physique, dans le système anglais, nous utilisons habituellement la même unité pour la masse et la force - livres. Figure 3.1. Représentation schématique d'une presse rock, avec l'échantillon de roche cylindriques placés sous un piston puissant, enfermé dans un récipient sous pression spécialement conçu pour imiter les conditions de pression de confinement élevé qui existent au plus profond de la Terre. De Paterson, Experimental rock Déformation, NY, Springer-Verlag, 1978. Maintenant, quelle force faut-il pour briser un morceau de roche Il dépend entièrement de la manière dont la force est appliquée. Considérons la dalle de roche montre la figure 3.2. Dans un cas (Fig. 3.2a), la force est appliquée sur une large zone de la surface des roches. Dans une autre configuration (fig. 3.2b), la force est concentrée sur une petite surface de la roche sont confrontés. La roche pourrait être en mesure, dans le premier cas, pour résister à la force, alors que dans le second, la roche pourrait se fracturer. Les physiciens décrivent ce degré de concentration de forces que la contrainte à laquelle la roche est soumise. Formellement, le stress est décrit comme la force appliquée par unité de surface de la roche, en unités de Newtons par mètre carré (ou N / m 2). Le stress peut être exprimée en unités de pascals (ou Pa), où 1 n / m 2 10 Pa. (Dans le système anglais, les unités sont livres par pouce carré ou psi). Lorsque les contraintes sont appliquées de manière égale sur tous les côtés d'un corps, comme quand un rocher est entouré par l'eau ou l'air, il est désigné sous pression, en utilisant les mêmes unités que le stress. Figure 3.2. La même force, appliquée à un rocher sur une large résultats de la zone de surface dans une contrainte appliquée faible, alors que la même force, appliquée sur une zone plus petite produit une contrainte beaucoup plus élevé. Tous les matériaux répondent à l'application de contraintes modérées en modifiant leur forme ou de la taille, ou les deux. Cette modification est appelée contrainte ou de déformation. La nature de la déformation dépend de la manière dont la contrainte est appliquée (figure 3.3). Par exemple, la souche peut résulter d'agir dans des contraintes de compression, où le matériau est poussé ensemble, ou de contraintes de tension, où la roche est tiré à part. Le stress peut être appliquée de manière égale sur tous les côtés d'un corps (i. e. la pression), ou dans une seule direction (). Parce que la souche peut être exprimée comme une variation en pourcentage - en longueur, en volume, ou en forme - il est communément exprimée en pour cent, sans unités métriques attachées. Un exemple frappant de la souche de compression est montrée à la figure 3.4. Les fossiles présentés dans cette photo étaient à l'origine presque circulaire. Une exposition prolongée au stress de compression (lors de la collision entre l'Afrique et l'Amérique du Nord il y a environ 300 millions d'années) a conduit à la déformation de la roche, et les fossiles ont changé leur forme de circulaire à elliptique. Les géologues peuvent utiliser ces fossiles déformés pour quantifier les contraintes qui ont agi sur le rocher et le degré de déformation de compression résultant de cette contrainte appliquée. Figure 3.3. Types d'application du stress et de leur souche résultante. Figure 3.4. Un exemple de la souche compressif. Les fossiles non déformées montrées dans la photographie gauche sont presque sphériques, alors que ceux de la photographie de droite ont été soumis à un stress intense de compression, et ont été déformés dans des formes elliptiques. De Twiss Moores, géologie structurale, NY, W. H. Freeman, 1992. Quelle est la relation entre contrainte et de déformation Beaucoup de matériaux, lorsqu'ils sont soumis à un stress, se déforme en une quantité qui est directement proportionnelle à la contrainte, comme un ressort va raccourcir ou allonger en proportion de la force appliquée (Figure 3.5 ). Ainsi, si nous faisons une parcelle de stress par rapport à la souche (ou force appliquée contre le changement de la longueur du ressort), le graphique former une ligne droite. Et, comme un ressort, le matériau revient généralement à sa forme initiale lorsque la contrainte appliquée est retirée. Dans ce cas, nous pouvons décrire la souche réversible. Ces deux propriétés - une relation linéaire entre le stress et la fatigue, et la réversibilité de la déformation - sont ce qui définit la déformation élastique. Tout solide qui affiche ce style de déformation peut être appelé un solide élastique. Ces propriétés des matériaux élastiques ont d'abord été décrits par le physicien britannique Sir Robert Hooke, et Hooke lois, qui décrivent la déformation des solides élastiques, portent son nom. Figure 3.5. Déformation des matériaux élastiques, selon Hookes lois. En (a) le changement de longueur du ressort est proportionnelle à la contrainte appliquée. De même, en (b), un échantillon cylindrique de roche soumis à un stress de compression a son volume réduit proportionnellement à la contrainte appliquée. Dans les deux cas, une parcelle de stress par rapport à des résultats de contrainte dans une ligne droite. De Skinner Porter, The Dynamic Earth, NY, J. Wiley, 1989. La plupart des roches, lorsqu'il est soumis à de petites contraintes, à des pressions et des températures typiques de ceux près de la surface de la Terre, peuvent être décrits comme des solides élastiques: leur déformation reste proportionnelle à la contrainte appliquée, et la déformation disparaît après le stress est retiré (Figure 3.6a). Toutefois, la clé de cette déclaration est de petites contraintes: tous les matériaux ont une limite d'élasticité, au-delà duquel la déformation élastique ne se fait plus. À ce stade, l'une des deux choses peuvent se produire. Pour certains matériaux, la contrainte appliquée à la roche peut dépasser sa résistance à la rupture, et la roche peut répondre par rupture fragile (Figure 3.6a). Quand une roche est fracturée, sa déformation est irréversible, et la souche ne peut plus être décrite comme élastique. Pour d'autres matériaux, un autre type de déformation irréversible peut se produire: la déformation ductile. déformation ductile se produit par écoulement plastique comme de la roche. Comme tout enfant sait (même s'il ne peut pas prononcer le terme déformation ductile), un morceau de chewing-gum, lorsqu'il est tiré, déforme ductilely. Dans la déformation ductile, la souche ne doit pas être proportionnelle à la contrainte appliquée (figure 3.6b), aride la souche est généralement pas réversible. Figure 3.6. Des exemples de cassante (à gauche) et ductile (à droite) la déformation. Le stress et la souche de la Terre Dans la Terre, on peut voir des exemples de déformation cassante et ductile. Déformation cassante (Figure 3.7a) est couramment exprimée par l'apparition de défauts (fractures le long de laquelle le mouvement relatif a eu lieu) et des articulations (fractures sans mouvement relatif). déformation ductile (Figure 3.7b) est couramment observé par pliage des couches de roche. Au fond de la terre, déformation ductile peut avoir lieu par l'écoulement plastique chaud, roche faible (Figure 3.7c). Figure 3.7. Des exemples de déformation cassante, ce qui entraîne des défauts (à gauche), et la déformation ductile, ce qui entraîne le pliage des couches rocheuses (centre), ou dans l'écoulement plastique de la roche (à droite). Les photographies sont de presse Siever, Comprendre la Terre, NY, W. H. Freeman, 1994, et à partir de Suppe, Principes de géologie structurale, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1985. Pourquoi les défauts observés dans certains endroits, et se replie dans d'autres Certes, le matériau lui-même est en partie responsable. Une dalle de bois, par exemple, va réagir très différemment au stress appliqué que ne le ferait une dalle de roche. De même, différents matériaux rocheux - par exemple, schiste vs granite - sont très différentes limites élastiques et résistances à la rupture. En fait, certains matériaux courants (tels que l'acier) peuvent présenter tous les trois styles de déformation (figure 3.8). Sous une faible contrainte appliquée, la souche est élastique, et est proportionnelle à la contrainte appliquée. Étant donné que les contraintes augmentent, la matière peut atteindre sa limite d'élasticité, au-delà de laquelle le matériau commence à se comporter d'une manière ductile. Et le stress continue finira par conduire à la rupture fragile. Figure 3.8. Les propriétés des matériaux d'acier. Lorsqu'il est soumis à des contraintes modérées, la souche est proportionnelle au stress, et l'acier se déforme élastiquement. A des contraintes plus élevées, où la limite élastique est dépassée, l'acier se déforme plastiquement (comportement ductile). A des contraintes encore plus élevées, la limite d'élasticité est dépassée, et les pauses en acier par rupture fragile. Pour rendre les choses encore plus compliquées, le même matériau peut avoir des propriétés élastiques en fonction de son état physique. Pour illustrer ce phénomène, envisager ce qui se passerait si vous avez pris ce même morceau de chewing-gum, et l'a laissé dans le congélateur pendant quelques heures, puis tiré sur elle maintenant, il pourrait se comporter très différemment, il pourrait se déformer par rupture fragile plutôt que par déformation ductile. En d'autres termes, ses propriétés élastiques ont changé à la suite du changement dans les conditions ambiantes. De même, les matériaux de la terre peuvent réagir différemment dans des conditions différentes. Il existe de nombreux facteurs qui contrôlent le style de déformation dans la terre. Dans la section suivante, nous discutons brièvement quelques-uns des principaux. Composition de Rock. Les minéraux qui composent une roche ont un contrôle primaire sur son comportement. Par exemple, les minéraux avec une structure en forme de feuille (tels que le mica, l'argile, ou de gypse) ont tendance à avoir de faibles limites élastiques, et permettre une roche qui les contient se déformer de façon ductile. Des roches contenant du sel, du gypse, ou de calcite ont également tendance à être relativement ductile. Les types de roches communes qui contiennent ces minéraux sont le calcaire, le marbre, le schiste et schiste. Roches dominées par les minéraux forts (tels que le quartz, l'olivine ou le grenat) ont tendance à être plus forte, et à se déformer de manière élastique jusqu'à une limite d'élasticité élevée. Ceux-ci comprennent le grès, le granit, le basalte, diorite et gneiss. La nature des matériaux dans les roches pore espaces et fractures joue également un rôle important. La présence d'eau interstitielle tend à affaiblir les liaisons chimiques et de réduire la friction entre les grains de roches voisines. Ainsi, par rapport aux roches avec faible teneur en eau, les roches ont tendance à avoir une résistance plus faible, et sont plus susceptibles de derformation ductile. Température . Comme nous réchauffer notre morceau de chewing-gum congelés, ses changements de comportement fragile à ductile. De même, à des températures plus élevées, les roches deviennent plus ductile. Ainsi, pour un matériau donné, lorsque la température augmente, la limite d'élasticité est atteinte plus rapidement et le comportement ductile est favorisé (figure 3.9a). Parce que la température augmente Earths rapidement avec la profondeur (voir chapitre 2) sont attendus roches pour passer de cassante à ductile à des profondeurs de 12-20 km en dessous de la surface de la Terre. Lorsque les roches qui ont été enterrés profondément dans la croûte terrestre sont exposés à la surface, nous pouvons voir des textures qui ressemblent un peu comme la pâte dentifrice, ce qui suggère que les roches déformées par écoulement plastique (Figure 3.7c). Cela peut expliquer pourquoi dans la plupart des régions du monde, les tremblements de terre se produisent seulement dans la partie supérieure à 20 km de la croûte. L'exception à cette règle est dans les zones de subduction. où les tremblements de terre peuvent s'étendre à des profondeurs aussi grande que 700 km. Pourquoi les tremblements de terre devraient se produire à ces profondeurs inhabituelles