Estimation de l'aléa sismique probabiliste de l'Equateur : modèles d'entrée, applications et communication

Probabilistic seismic hazard assessment in Ecuador : inputs, practical applications and communication

• Auteur / Autrice : Hugo Alfonso Yepes Arostegui
• Direction : Fabrice Cotton, Celine Beauval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 06/07/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Guéguen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Celine Beauval, Philippe Charvis, David Baumont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Calais, Ross Stein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géodynamique

Sismométrie

Séismes -- Prévision

Mots clés libres

Catalogue sismique

Zonage sismotectonique

Géodynamique de l'Équateur

PSHA

Communication de l’aléa

Incertitudes

Seismic catalog

Seismotectonic zoning

Ecuador’s geodynamics

PSHA

Hazards communication

Uncertainties

Résumé

Dans l'histoire de l'Equateur, les séismes ont causé beaucoup de victimes (~60 000) et de nombreux autres problèmes. Les événements récents de la fin du XXe siècle ont mis en évidence que les constructions existantes présentent une vulnérabilité physique importante et que l'impact économique des tremblements de terre pourrait être très élevé. Le risque sismique a trois composantes principales : l'aléa, la vulnérabilité et l'exposition. Par conséquent, pour réduire le risque en Equateur, il est primordial d'effectuer des évaluations probabilistes de l'aléa sismique (PSHA).La première étape du développement du PSHA fut de construire un catalogue sismique dans lequel la sismicité historique et instrumentale est homogène et complète. Les données de sismicité instrumentale ont été rassemblées à partir des catalogues locaux et internationaux. Les événements ont été identifiés et, par l'utilisation d'un régime de hiérarchisation des endroits les plus fiables et des estimations de magnitude, les événements ont été regroupés dans un catalogue unique, unifié et homogénéisé. La sismicité historique réévaluée a ensuite été ajoutée. Le catalogue des séismes en Equateur entre 1587 et 2009 comprend ainsi 10 823 événements instrumentaux et 32 séismes historiques, avec une gamme de magnitude Mw de 3,0 à 8,8.Un modèle de zonage des sources sismiques (SSZ) a ensuite été effectué. Dans le cadre de cette modélisation, une nouvelle vision de la géodynamique de l'Équateur a été conçue. Deux aspects des interactions des plaques à l'échelle continentale permettent d'expliquer plusieurs caractéristiques observées dans la génération des tremblements de terre observés, comme l'essaim sismique d'El Puyo, ainsi que le couplage inter-sismique : les différences de rhéologie des plaques Nazca et Farallon et la convergence oblique provoquée par la forme convexe de la partie nord-ouest de la marge continentale sud-américaine. La paléomarge en extension Grijalva (GRM) marque la frontière entre les deux plaques. La sismicité et le couplage inter-sismique sont faibles et peu profonds au sud de la GRM et augmente vers le nord, avec un modèle de couplage hétérogène associé localement à la subduction de la ride de Carnegie. De grands séismes de décrochement ont rompu l'interface entre la ride de Carnegie et le nord. Au niveau continental, la frontière entre le bloc NA et le bloc stable Amérique du Sud est constituée par le système CCPP de failles. Il concentre la majorité de la libération du moment sismique dans la croûte Equateur. 19 SSZ ont été modélisées : une tranche-externe, trois interfaces, six intra-plaques et neuf croûtes.Le catalogue sismique et une version préliminaire du modèle SSZ ont été appliqués pour déterminer le PSH à Quito et évaluer les incertitudes. La ville est construite sur le toit d'un système de failles inverses actif, qui se déplace de 4,3 à 5,3 mm/an. Les PSH ont montré que la contribution de la SSZ locale explique presque entièrement l'aléa correspondant à une période de retour (PR) de 475 ans. L'analyse a donc été concentrée sur cette zone. La source locale, la géométrie de la SSZ, la modélisation des distributions de fréquence-magnitude et/ou de taux de glissement avec des pourcentages de verrouillage variables, la sélection des GMPEs et l'intégration de l'effet du compartiment chevauchant ont apporté des accélérations avec cette PR avec une variabilité importante. Le PGA moyen obtenu sur un site au rocher est ~0,4g avec cette PR, avec une variabilité de 0,3 à 0,73g.La mise à disposition du PSHA est cruciale pour la gestion des risques mais est compliquée, car les probabilités et les incertitudes ne sont pas facilement assimilées par la société. Suite aux pratiques des sciences sociales et les expériences acquises des alertes précoces d'éruption, une approche participative a été exposée pour construire collectivement des connaissances sur le risque de séisme à Quito, qui pourrait prendre la forme d'un observatoire citoyen.

Seismic hazard and risk are high in Ecuador. Earthquakes are notorious in history both for the number of victims (~60.000) and the hardships they have brought. Moreover, late 20th century events have highlighted evidences that the physical vulnerability of present-day buildings is considerable and that the economic impact of earthquakes could be devastating for Ecuador's sustained growth. Therefore, it is an important contribution for reducing the seismic risk to construct methodologically sound models for probabilistic seismic hazard assessment, which is the main objective of this dissertation.The first step was to construct a seismic catalog for the country where historical and instrumental seismicity is homogeneous and complete. The instrumental seismicity available in local and international catalogs since the beginning of the 20th century was collected. Events were singularized and, by means of a prioritizing scheme of most reliable locations and magnitude estimations, individual events were merged in a single, unified and homogenized catalog. Previously re-evaluated historical seismicity was appended. The 1587–2009 Ecuadorian earthquake catalog finally comprises 10,823 instrumental events plus 32 historical earthquakes with a Mw magnitude range from 3.0 to 8.8.Next a seismic source zones (SSZ) model for probabilistic seismic hazard analysis was worked out. In the course of modeling the SSZ, a new view of Ecuador's complex geodynamics was conceived. This view emphasizes two aspects of the plates' interactions at continental scale: the differences in rheology of Farallon and Nazca plates and the convergence obliquity resulting from the convex shape of the South American northwestern continental margin. Both conditions satisfactorily explain several characteristics of the observed earthquake generation –such as the El Puyo seismic cluster– as well as the interseismic coupling. The Grijalva rifted margin (GRM) marks the boundary between the two plates. Seismicity and interseismic coupling are weak and shallow south of the GRM and increases northward, showing a heterogeneous coupling pattern locally associated to Carnegie ridge's subduction. Great thrust earthquakes have ruptured the interface from Carnegie to the north, not breaking through Carnegie. In the continental realm the CCPP localized fault system constitutes the boundary between the NA block and stable South America. It concentrates most of the seismic moment release in crustal Ecuador. 19 SSZs have been modeled accounting for this new scheme: 1 outer-trench, 3 interface, six intraplate and 9 crustal.The catalog and a preliminary version of the SSZ model were applied in determining the PSH in Quito and assessing the uncertainties. The city is built on the hanging wall of an active reverse fault system that is moving at 4.3-5.3 mm/yr. PSH estimates showed that hazard levels at 475 years return period (RT) almost entirely proceed from the contribution of the local SSZ, therefore the analysis was concentrated on it. Significant variability in accelerations at that RT resulted from a variety of considerations: modeling the local source either as a zone or as fault source, the geometry of the SSZ, the way frequency-magnitude distributions and/or slip rates with variable locking percentages were modeled, the GMPEs selection and the inclusion of the hanging wall effect. The PGA mean value obtained for a rock site Quito is ~0.4 g in that RT with variability ranging from 0.3 to 0.73g.PSHA communication is crucial for risk management, but is difficult since probabilities and uncertainties are not easily assimilated by society. Following the practices of the social sciences and of experiences acquired in issuing eruption early warnings to rural communities, a participatory approach has been outlined to collectively build up knowledge about the earthquake risk in Quito that could take the form of a citizens' observatory for seismic risk awareness and reduction.