Phénomènes électriques et magnétiques associés aux variations de contrainte ou aux déformations

De nombreux travaux ont été entrepris pour essayer de comprendre l'origine des signaux électromagnétiques observés avant le déclenchement d'un tremblement de terre. Ces phénomènes résultent de la variation de contrainte qui précède le séisme, mais les processus physiques mis en cause ne sont actuellement pas élucidés. Un problème important apparaît si l'on admet que la source d'ondes électromagnétiques se trouve à l'épicentre. Il concerne l'atténuation d'une onde émise dans le sol. Cette atténuation est proportionnelle à exp(-x) avec :

=
f la fréquence de l'onde,
la perméabilité magnétique,
la conductivité électrique.
x est la distance à partir de la zone de génération.

Avec les valeurs communément admises de pour les roches (de 10^-2 à 10^-5 S/m), le calcul montre, qu'à partir de 10km, seules des ondes de type Ultra Basse Fréquence (UBF) (< 10Hz) peuvent atteindre la surface.

Les processus physiques qui peuvent engendrer les signaux observés se regroupent naturellement en deux familles, selon qu'ils font intervenir ou non la présence de fluide pouvant circuler dans un réseau de fissures et de pores interconnectés à l'intérieur de la matrice rocheuse.

Les différents processus physiques se décomposent en :

Processus liés à la présence d'eau dans la roche

Les mesures géophysiques effectuées à la surface du sol ne permettent d'appréhender que la résistivité moyenne des matériaux terrestres. Dans les conditions de température et de pression qui caractérisent les premiers kilomètres de la croûte terrestre, les roches sèches froides sont très résistantes (leur résistivité est supérieure à 10.000 .m) et, dans le cas d'une roche poreuse remplie d'eau, la résistivité moyenne mesurée est, en première approximation, proportionnelle à f ^-1_fluide où f ^-1 et _fluide sont respectivement le volume, en pourcentage, de fluide présent dans les pores et sa résistivité électrique.

A l'équilibre, le diamètre des pores dépend de la nature de la roche, de la pression hydrostatique et du tenseur des contraintes auquel est soumise la roche. Une variation du tenseur des contraintes se traduira donc par une variation du diamètre des pores, et, par conséquent, de la porosité de la roche. Il s'ensuivra une variation de f, et donc de la résistivité moyenne du milieu.

A l'interface entre la matrice rocheuse et l'eau, il se forme une double couche d'ions: l'une d'elles (généralement négative) est fortement liée à la roche tandis que l'autre, plus diffuse, est formée d'ions de signe opposé (et donc généralement positifs), mobiles à l'intérieur de la phase liquide. Il en résulte une différence de potentiel, entre la roche solide et la phase liquide. Lorsque la pression de pore n'est pas égale à la pression hydrostatique (par exemple du fait d'une variation de contraintes), il se produit un mouvement de la phase liquide et un déplacement des ions mobiles qui engendre un courant électrique. Ce processus traduit donc la circulation de l'eau à l'intérieur d'un réseau de fissures et de pores interconnectés: il est généralement appelé électrofiltration, ou effet électrocinétique.

Piézo-électricité et tribo-électricité

Lorsqu'on exerce une action mécanique sur certains corps cristallins, et notamment le quartz, il y a déplacement de charges électriques, et donc apparition à l'intérieur du cristal d'un champ de polarisation. Ce champ, linéairement relié au tenseur des contraintes par l'intermédiaire d'un tenseur d'ordre 3, le tenseur piézo-électrique, est maximal lorsque les contraintes sont appliquées selon certaines directions particulières, les directions mécaniques, qui dépendent du réseau cristallin.

Lors de la fracturation de roches contenant du quartz, le champ piézo-électrique peut engendrer une onde électromagnétique. C'est le cas lorsque l'ouverture d'une fissure dans la roche ne modifie pas instantanément le champ de polarisation, c'est à dire, en d'autres termes, lorsqu'une microfissure statique peut retenir ses charges (contre les courants de fuite) plus longtemps qu'une microfissure en mouvement ne peut retenir son déplacement (contre les contraintes mécaniques).

La tribo-électricité est l'électricité qui apparaît sur des surfaces matérielles par suite du frottement. La densité de charge électrique qui apparaît ainsi est en général indépendante de la pression exercée et de la vitesse relative des deux surfaces qui frottent l'une contre l'autre: le champ électrique engendré ne peut dépasser le champ explosif E_m dans le milieu considéré (30 kV/cm dans l'air à la pression atmosphérique) et, dans un conducteur, la densité surfacique de charges libérées reste donc inférieure à _m = ₀E_m.