Analyse à court et long terme de la déformation de la plaque supérieuredans la zone de subduction du nord du Chili avec des données GPS et d'inclinométrie

Short and long term analysis of upper plate deformation in northern Chile subduction zone with GPS and tiltmeter data

• Auteur / Autrice : Gianina Meneses-Provoste
• Direction : Christophe Vigny
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Mazzotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Vigny, Stéphane Mazzotti, Cécile Lasserre, Frédérique Rolandone, Pascal Bernard, Jean-Mathieu Nocquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Lasserre, Frédérique Rolandone

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

GPS

Inclinomètre

Subduction

Couplage

Relaxation viscoélastique

Tarapaca 2005

GPS

Tiltmeter

Subduction

Coupling

Viscoelastic relaxation

Tarapaca 2005

Résumé

Les zones de subduction impliquent le recyclage de la lithosphère océanique dans le manteau convectif pour former une croûte continentale par migration ascendante de la partie fondue du slab. Ce processus à long terme, où la plaque supérieure accumule des contraintes qui sont instantanément libérées sous la forme de séismes, se répète sur un processus cyclique : le cycle sismique de subduction (SEC). Néanmoins, le glissement rapide sur les failles n'est pas le seul processus contribuant à la déformation pendant le SEC. Des processus de glissement asismique sont observés sous la forme de creeping constant et de glissement lent transitoire. Exemple du dernière est le phénomène d'afterslip et les slow slip events (SSE) dont la durée est beaucoup plus longue que les séismes "normaux". De la même importance est l'effet du stress induit par un sésime dans le manteau. Parce qu'il se comporte comme un corps viscoélastique, le manteau détend ce stress au cours d'un processus de déformation lent de longue durée et à grande échelle. Tous ces phénomènes ont un impact sur la déformation de la plaque supérieure et doivent être pris en compte dans l'analyse du budget de glissement sur le SEC afin d'obtenir l'estimation réelle du risque sismique d'une région. En partant de cette prémisse, la principale motivation de ce travail est de contribuer à la détermination de l'état actuel de couplage de l'interface sismique de la zone nord de la subduction chilienne. La majeure partie de cette étude a été menée dans deux directions : l'analyse et l'interprétation des déformations transitoires à court terme (jours, semaines) et à long terme (années) détectées par les stations GPS permanentes déployées au nord du Chili. Premièrement, en recherchant de façon exhaustive les signaux transitoires à court terme dans des séries géodésiques, nous cherchons à contribuer au débat actuel sur la question de savoir si des glissements lents se produisent dans la zone de subduction chilienne ou non. Jusqu'à présent, un seul cas de glissement lent associé à la phase de nucléation d'Iquique 2014 a été rapporté. Nos résultats, obtenus après filtrage et analyse approfondie des séries temporelles consacrées à la réduction de leur bruit inhérent, indiquent l'existence de seulement 3 événements susceptibles de correspondre à de petits épisodes de glissement sismique. Ils se produisent entre 2009 et 2011, avec des durées de quelques semaines et des amplitudes qui ne dépassent pas 4 mm. De plus, l'occurrence de l'épisode de glissement sismique plus important simultané à l'activité du séisme d'Iquique 2014 est confirmée, et l'analyse est poussée plus loin à l'aide d'enregistrements par inclinomètres à longue base. Grâce à cette analyse affinée et à la sensibilité de cet instrument, 4 événements de glissement lent dist incts peuvent être identifiés dans la plus grande région de glissement lent révélée par les données GPS, survenant au cours des 3 mois précédant le choc principal avec des magnitudes comprises entre Mw 5,8 et 6,2. Enfin, une analyse à long terme a été effectuée afin d'identifier les changements mineurs mais significatifs des tendances sur de longues périodes. Les données disponibles indiquent une diminution à long terme de la déformation de la plaque supérieure après le séisme de profondeur moyenne de Tarapaca 2005 (Mw 7.7). Nous testons l'effet viscoélastique de l'asthénosphère sur la déformation de surface déclenchée par une rupture profonde (~ 100 km). Pour cela, nous construisons un modèle 3D viscoélastique réaliste d'éléments finis viscoélastiques et avons essayé les rhéologies viscoélastiques de Maxwell et Burgers. Nous trouvons une très bonne correspondance entre le signal postsismique observé associé à cet événement et la déformation postsismique modélisée en utilisant une rhéologie de Burgers avec une viscosité long terme de 1.9e+18 Pa s, contestant l'hypothèse d'une diminution du couplage interséismique conduisant finalement à le mégathrust d'Iquique.

Subduction zones involve the recycling of oceanic lithosphere in the convective mantle to form continental crust by upward migration of the melted part of the slab. In this long-term process, the upper plate accumulate stresses that are instantaneously released in the form of earthquakes, repeating over a cyclic process: the subduction earthquake cycle (SEC). Nevertheless, fast slip on faults is not the only process contributing to the deformation during the SEC. For instance, the low frequency process of aseismic slip is observed in the form of steady fault creeping and transient slow slip. Examples of the latest are the phenomenon of afterslip, and slow slip earthquakes (SSEs) with much longer durations than ''normal'' earthquakes. Of the same importance is the effect of stress induced by an earthquake in the mantle. Because it behaves like a viscoelastic body, the mantle will relax this stress during a slow, long-lasting (up to decades) and large-scale (up to thousands of km) deformation process. All these phenomena impact the upper plate deformation and have to be considered in slip budget analysis over the SEC in order to obtain the real estimation of the seismic hazard of a region. Following this premise, the principal motivation of this work is to contr ibute to the determination of the actual locking state of the north seismic gap of the Chilean subduction zone. The main part of this study was conducted along two directions: analyzing and interpreting both short-term (days, weeks) and long-term (several years) transient deformations detected by permanent GPS stations deployed in north Chile. First, with an exhaustive search for short-term transient signals in 15-years long geodetic time series, we aim at contributing to the current debate of whether slow slip events do occur in the Chilean subduction zone or not. Up to now, only a single and debated case of slow slip associated to the nucleation phase of Iquique 2014 has been reported. Our results, obtained after thorough filtering and analysis of the times series devoted to reduce their inherent noise, indicate the existence of only 3 events that are likely to correspond to small episodes of aseismic slip. They occur between 2009 and 2011, with durations of few weeks and amplitudes that do not exceed 4 mm. Additionally, the occurrence of the larger aseismic slip episode simultaneous to the foreshock activity of Iquique 2014 earthquake is confirmed, and the analysis is pushed further with the help of long-base tiltmeter records. Thanks to this refined analysis and to the sensitivity of this instrument, 4 distinct slow slip events can be identified in the larger region of slow slip revealed by GPS data, occurring during the 3 months previous to the mainshock with magnitudes ranging between Mw 5.8 and 6.2. Finally, a longterm analysis of the same cGPS time series was conducted in order to identify small but significant changes of trends over long durations. Available data indicate a long-term decrease of the upper plate deformation after the intermediate depth earthquake of Tarapaca 2005 (Mw 7.7). We test the viscoelastic effect of the asthenosphere on surface deformation triggered by deep failure (~ 100 km depth). For this, we build a realistic 3D viscoelastic finite element model and tried Maxwell and Burgers viscoelastic rheologies. We find a very good correspondence between the observed postseismic signal associated to this event and the modeled postseismic deformation using a Burgers rheology with a long-term viscosity of 1.9e+18 Pa s, challenging the hypothesis of a decrease of interseismic coupling eventually leading to the megathrust failure of Iquique.