Observation et modélisation des déformations au cours du cycle sismique le long de l'interface de subduction Chilienne

par Hugo Boulze

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'environnement

Sous la direction de Christophe Vigny, Luce Fleitout et de Emilie Klein.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers , en partenariat avec Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure (laboratoire) et de Ecole normale supérieure (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    Sur plusieurs milliers de kilomètres autour des zones affectées par les mégaséismes de subduction, les plaques s'étirent en direction de la fosse pendant plusieurs décennies après un séisme (phase post-sismique) et se compriment en fin de cycle (phase inter-sismique). Ce processus, mis en évidence au cours des deux dernières décennies par le positionnement par GNSS, est dû aux déformations engendrées en profondeur dans une Terre viscoélastique par les contraintes induites par les méga-séismes. Il est observé dans toutes les zones de séismes géants (Chili, Asie du Sud-est, Japon, Alaska). Ces déformations intraplaques reflètent, entre autre, des évènements qui ont pu avoir lieu plusieurs décennies auparavant et contiennent ainsi une sorte de mémoire des glissements sur l'interface de subduction. Elles peuvent nous renseigner sur les propriétés mécaniques du manteau près de la zone de subduction mais aussi au loin sous les continents. Elles permettent enfin de comprendre comment les contraintes s'accumulent puis se relâchent au cours du cycle sismique et comment ces contraintes se transmettent d'une zone sismique à une autre. Au cours du la dernière décennie, la subduction Chilienne a connu 3 séismes de magnitude supérieure à 8 le séisme de Maule de magnitude Mw 8.8 (2010), le séisme d'Iquique, Mw8.1 (2014) et le séisme d'Illapel Mw8.3 (2015). Notre équipe mesure depuis de nombreuses années les déformations le long de la marge Chilienne par GNSS et nous avons ainsi pu observer le cycle sismique dans les trois régions concernées. C‘est aussi la subduction Chilienne qui a enregistré le plus grand séisme connu (depuis que nous disposons de sismographes) le séisme de Valdivia de magnitude environ 9.4-9.5 en 1960, pour lequel nous sommes toujours en train de mesurer la fin de la phase post-sismique. En revanche, certaines régions n'ont pas connu de séisme majeur depuis plus d'un siècle ou nos études révèle un ‘couplage' fort, indication de l'accumulation de contraintes et donc d'un aléa sismique élevé (Métois et al.JGR 2012, Pageoph, 2016). Le présent sujet de thèse a pour but de contribuer à collecter, d'analyser et de modéliser les déformations au cours du cycle sismique le long de l'interface de subduction Chilienne, intégrant les observations post-sismiques faites après les 4 séismes mentionnés plus tôt mais aussi les déformations inter-sismiques dans les régions toujours bloquées. Nous avons l'expérience de la modélisation 2D du cycle sismique et 3D des déformations post-sismiques après les trois méga-séismes récents (Sumatra, Chili, Japon) (Trubienko et al., 2013, 2014 ; Klein et al. GJI 2016) ainsi que les techniques numériques employées utilisant la méthode des éléments finis (http://www.zset-software.com). Cette thèse a pour objectif la modélisation du cycle sismique complet : à l'aide de ces techniques, le futur doctorant devra explorer les questions suivantes : - Comment la modélisation de la phase inter-sismique avec une rhéologie viscoélastique affecte-t-elle le 'couplage' pour le moment modélisé avec rhéologie élastique. - Comment les déformations liées au cycle sismique modifient-elles les contraintes et la sismicité au loin à l'intérieur des plaques mais aussi sur le segment voisin de l'interface de subduction. - Quel est la relation entre les variations de contrainte au cours du cycle sismique et les déformations long-terme 'tectoniques' dans les plaques (rhéologie viscoplastique de la lithosphère plutôt qu'élastique). - Quelles sont les propriétés mécaniques de l'asthénosphère à l'échelle de l'année et de la dizaine d'années ? Les questions qui se posent encore concernent les rhéologies transitoires représentées dans les simulations numériques par des modèles de Burger et aussi l'éventualité de lois de fluage non linéaires.

  • Titre traduit

    Observation and modelling of deformation associated with the seismic cycle along the Chilean subduction interface


  • Résumé

    Over several thousand kilometres around areas affected by subduction mega earthquakes, plates are stretching towards the trench for several decades after an earthquake (post-seismic phase) and are compressing at the end of the cycle (interseismic phase). This process, highlighted over the past two decades, is due to deformations generated at depth in a viscoelastic Earth by stresses induced by mega earthquakes. It is observed in all areas where giant earthquakes occured (Chile, Southeast Asia, Japan, Alaska). These intraplate deformations reflect, among other things, events that may have occurred several decades ago and thus contain a kind of memory of the slip on the subduction interface. They can provide us with information on the mechanical properties of the mantle near the subduction zone but also far below the continents. They help to understand how stresses accumulate and then release during the seismic cycle and how these stresses are transmitted from one seismic zone to another. Through the last decade, 3 earthquakes with a magnitude (Mw) higher than 8 occurred on the Chilean subduction : Maule (Mw8.8, 2010), Iquique (Mw8.1, 2014) and Illapel (Mw8.3, 2015). For more than 15 years, our team has been measuring deformations along the chilean margin using GNSS allowing us to observe different phases of the seismic cycle in the 3 areas. Note that the biggest instrumental (since we have seismographs) earthquake ever registered also occurred on the Chilean subduction zone : the Vadivia earthquake (Mw9.5, 1960) for which we are still measuring the end of the post-seismic phase. On the contrary, in some areas, no major earthquakes occurred for one century and our studies reveal a high coupling rate which indicates accumulation of strain and therefore a high seismic hazard (Métois et al.JGR 2012, Pageoph, 2016). The goal of this thesis is to contribute to collect, analyse and modelling deformations associated with the seismic cycle along the Chilean subduction margin using post-seismic observations made after the 4 earthquakes mentioned before but also inter-seismic deformations of locked regions. We have experience in 3D modelling of post-seismic deformations after the three recent mega earthquakes (Sumatra, Chile, Japan) (Klein et al. GJI 2016) and the numerical techniques used using the finite element method (http://www.zset-software.com) can easily be adapted to model the global seismic cycle, which we aslo have modelled in a simplified 2-dimensional geometry (Trubienko et al. Tectonophysics, 2013). In order to model the entire seismic cycle, the phd candidate will explore the following questions: - How does the modelling of the intersismic phase with viscoelastic rheology affects the determination of the coupling which is currently modelled assuming an elastic earth? - How do deformations associated with the seismic cycle modify stresses and seismicity far away within the plates but also along the subduction interface? - What is the relationship between stress variations during the seismic cycle and long-term ‘tectonic' deformations in the plates (viscoplastic rheology of the lithosphere rather than elastic)? - What are the mechanical properties of the asthenosphere over a year or a decade ? Questions are about transitory rheologies represented in numerical simulations by Burger models and non-linear creep.