Reconstruction du processus de rupture sismique par des techniques d’imagerie cohérente télésismique et modélisation statistique

Reconstruction of the earthquake rupture process through coherent teleseismic imaging and statistical modeling

• Auteur / Autrice : Marina Corradini
• Direction : Pascal Bernard, Claudio Satriano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement. Sismologie
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• 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 : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisa Tinti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Causse, Martin Vallée
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elisa Tinti, Paul Martin Mai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Modèles en géologie

Imagerie (technique)

Mots clés libres

Back-projection

Complexité de la rupture sismique

Modélisation

Back-projection

Rupture complexity

Rupture simulation

Résumé

De nombreuses études ont tenté d’éclairer la complexité de la rupture sismique de grands séismes en utilisant des techniques d’imagerie cohérente telles que la back- projection (BP). Dans une étude récente, Fukahata et al. (2013) ont suggéré que, d’un point de vue théorique, l’image BP de la rupture sismique est liée au glissement ou à la vitesse de glissement sur la faille. Cependant, la relation quantitative entre les images BP et les propriétés physiques du processus de rupture reste encore peu connue. Cette thèse vise à clarifier comment les images BP du champ d’ondes rayonné peuvent être utilisées pour déduire les hétérogénéités spatiales en glissement et en vitesse de rupture le long de la faille. Nous réalisons des simulations de différents processus de rupture à l’aide d’un modèle de source linéaire. Pour chaque modèle de rupture, nous calculons les sismogrammes synthétiques à trois réseaux télésismiques et nous appliquons la technique de BP afin d’identifier les sources de rayonnement haute fréquence (HF). Cette procédure permet de comparer les images BP avec le modèle de rupture originaire et d’interpréter les émissions HF en fonction des trois paramètres cinématiques: le temps de montée, la valeur du glissement final, la vitesse de rupture. Nos résultats montrent que les pics HF extraits avec l’analyse BP sont le plus étroitement associés aux hétérogénéités spatio-temporelles de l’accélération du glissement. Nous vérifions nos observations sur deux grands séismes survenus dans la faille de Swan Islands à neuf ans d’intervalle: le séisme du 2009 (Mw 7.3) et celui du 2018 (Mw 7.5) au nord du Honduras. Les deux événements montrent une géométrie linéaire, ce qui les rend comparables à notre approche synthétique. Malgré la géométrie simple, les deux séismes sont caractérisés par un taux de glissement complexe, avec plusieurs sous-événements. Nos résultats préliminaires montrent que l’image BP des émissions HF permet d’estimer une longueur et une vitesse de rupture compatibles avec d’autres études et qu’un fort rayonnement HF pourrait correspondre aux zones de forte variabilité du taux de glissement. En conclusion, nous utilisons une méthode de réseau de neurones afin de prédire les paramètres cinématiques d’une rupture sismique à partir de son image BP. Le réseau s’appuie sur un grand nombre de processus de rupture synthétiques et leurs images BP, dans le but d’identifier le lien statistique entre le rayonnement HF et les paramètres cinématiques. Nos résultats montrent que le réseau de neurones appliqué à l’image BP du séisme est capable de prédire les valeurs du temps de montée et de la vitesse de rupture le long de la faille, ainsi que la position moyenne de l’hétérogénéité. Par contre, le réseau de neurones n’arrive pas à récupérer les valeurs du glissement final, auquel l’approche BP est relativement insensible. Notre étude permet de mieux comprendre l’écart qui existe actuellement entre la description théorique de la génération de rayonnements HF et les observations d’émissions HF obtenues par des techniques d’imagerie cohérentes, en s’appuyant aux pistes d’action possibles et en suggérant de nouvelles perspectives.

Many studies have attempted to illuminate rupture complexities of large earthquakes through the use of coherent imaging techniques such as back-projection (BP). Recently, Fukahata et al. (2013) suggested that, from a theoretical point of view, the BP image of the rupture is related to the slip motion on the fault. However, the quantitative relationship between the BP images and the physical properties of the earthquake rupture process still remains unclear.Our work aims at clarifying how BP images of the radiated wavefield can be used to infer spatial heterogeneities in slip and rupture velocity along the fault. We simulate different rupture processes using a line source model. For each rupture model, we calculate synthetic seismograms at three teleseismic arrays and we apply the BP technique to identify the sources of high-frequency (HF) radiation. This procedure allows for the comparison of the BP images with the originating rupture model, and thus the interpretation of HF emissions in terms of along-fault variation of the three kinematic parameters: rise time, final slip, rupture velocity. Our results show that the HF peaks retrieved from BP analysis are most closely associated with space-time heterogeneities of slip acceleration. We verify our findings on two major earthquakes that occurred 9 years apart on the strike-slip Swan Islands fault: the Mw 7.3 2009 and the Mw 7.5 2018 North of Hondurasearthquakes. Both events followed a simple linear geometry, making them suitable for comparison with our synthetic approach. Despite the simple geometry, both slip-rate functions are complex, with several subevents. Our preliminary results show that the BP image of HF emissions allows to estimate a rupture length and velocity which are compatible with other studies and that strong HF radiation corresponds to the areas of large variability of the moment-rate function. An outstanding question is whether one can use the BP image of the earthquake to retrieve the kinematic parameters along the fault. We build on the findings obtained in the synthetic examples by training a neural network model to directly predict the kinematic parameters along the fault, given an input BP image. We train the network on a large number of different synthetic rupture processes and their BP images, with the goal of identifying the statistical link between HF radiation and rupture kinematic parameters. Our results show that the neural network applied to the BP image of the earthquake is able to predict the values of rise time and rupture velocity along the fault, as well as thecentral position of the heterogeneity, but not the absolute slip values, to which the HF BP approach is relatively insensitive. Our work sheds some light on the gap currently existing between the theoretical description of the generation of HF radiation and the observations of HF emissions obtained by coherent imaging techniques, tackling possible courses of action and suggesting new perspectives.