Shallow geological structure and hydromechanical behaviour of an active reverse fault at convergent plate boundary : the Chihshang Fault, eastern Taiwan

• Auteur / Autrice : Chung-Hsiang Mu
• Direction : Marc Sosson, Yves Guglielmi, Jian-Jyun Dong, Jiean-Cheng Lee
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Nice en cotutelle avec JhongLi (Taïwan), National Central University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sismologie

Taïwan

Risques sismiques

Résumé

La faille de Chihshang est l’un des segments les plus actifs du réseau de failles de la Vallée Longitudinale. Celle-ci se situe le long de la structure de plaque entre la mer Philippine et la plaque eurasienne. Les mesures géodésiques ont permis d’établir que la faille de Chihshang s’est propagée dans les couches de graviers holocènes non consolide��es à une vitesse de 2 cm/an. Le comportement de cette faille apparaît influencer et être influencé par les caractéristiques hydrogéologiques des aquifères superficiels. Au cours de cette étude, nous avons dans un premier temps combiné différents types de mesures et d’analyses à l’Observatoire de la Faille Active de Chihshang [The Chihshang Active Fault Observatory (CAFO) à Chinyan]. Celles-ci incluaient la cartographie des ruptures en surface, l’analyse de trois carottes de forages superficiels, ainsi qu’une analyse de la cinématique basée sur des mesures géodésiques. Cette première étape visait à mieux contraindre la structure proche de la surface au niveau du site de CAFO. Dans un second temps, nous avons mesuré les variations du niveau des eaux souterraines et réalisé des expériences de pulses, injections et pompages d’eau afin de déterminer différentes propriétés hydrauliques du milieu. Nous avons ainsi mis en évidence que la faille de Chihshang est constituée d’un système de trois branches de failles et d’une zone de faille plutôt diffuse au niveau du cône de déjection alluvial. En dehors du chenal de la rivière de Chinyuan, la faille de Chihshang présente un seul système de faille avec un contact lithologique net. En combinant les résultats de nivellement et des profils de sub-surfaces provenant de tranchées, nous avons établi que les trois branches de failles ont développé localement une structure en pop-up dans les 30-40 m de la partie supérieure des couches de graviers holocènes. A partir du rapport entre les déplacements verticaux de nivellement, les mesures de l’extensomètre et les déplacements horizontaux du GPS, nous obtenons pour les trois branches de la faille de Chihshang des pendages de 34-42°, 60-65° pour les deux failles inverses à vergence ouest et 16° pour la faille inverse à vergence est. En compilant les âges issus de carottes de forages, des tranchées et des terrasses, nous estimons à long terme une vitesse relative de soulèvement de 2,2-2,4 cm/an durant les derniers milliers d’années. Neuf puits d’observation ont été creusés à une profondeur de 30 à 100 m à travers l’aquifère constitué de gravier alluviaux du toit au mur de la faille ; ceci afin de mieux comprendre les effets de la variation de la pression des fluides dans les pores de l’aquifère et d’évaluer son influence sur le comportement de sub-surface. Le monitoring des variations de la pression de pores naturelle avec des piézomètres, de slug tests mensuels de courte durée (quelques secondes) et des expériences de pompage et d’injection longue durée (de quelques heures à une journée) ont été mis en œuvre durant 2007-2011. Ces mesures, couplées à des mesures de résistivité électrique, des analyses de géologie de surface et de carottes, ont permis d’identifier une zone déformée et fracturée par la zone de faille. Les propriétés hydrauliques de cette dernière se caractérisent principalement par une forte anisotropie du tenseur de perméabilité avec la composante de plus forte perméabilité parallèle à l’azimut de la faille. Cela implique que la faille agit comme une barrière hydraulique dans l’aquifère peu profond. Des tests hydrauliques répétés ont révélé que l’évolution de la perméabilité dans le toit de la faille a subi un changement brutal au cours d’avril et septembre 2008 ; cette tendance s’observe également dans le nombre cumulé des séismes produits aux alentours du site d’observation sur 30 km avec des hypocentres d’une profondeur comprise entre 0 et 5 km.

The Chihshang Fault is one of the most active creeping faults in the world at a rate of 2 cm/yr, which is situated along a plate suture between the Philippine Sea and the Eurasian plates in eastern Taiwan. Near the surface, the Chihshang Fault developed in the Holocene unconsolidated gravel layers. This fault behaviour apparently is be influenced by the hydraulic characteristics around the fault zone and in the vicinity of aquifers. In this study, we combined a variety of measurements and analyses at the Chihshang Active Fault Observatory (CAFO), including surface-rupture mapping, three shallow borehole core analyses and kinematic analysis of geodetic measurements, in order to decipher the near-surface fault geometry. We found that the Chihshang Fault has a three-branch fault system with a rather diffused fault zone in the Chinyuan alluvial fan at CAFO, which is composed of at least 100 m thick alluvial deposits. Outside of the Chinyuan River channel, the Chihshang Fault exhibits a single fault system. Combining the uplift rate and subsurface profiles from trench excavation, we interpret that the three fault branches locally developed a pop-up structure at the uppermost 30-40 m unconsolidated gravel layers during the last few thousand years. Based on the ratio between the levelling vertical displacements and the creep meters and GPS horizontal displacements, we obtained dip angles of 34-42°, 60-65° and 16° for two west-vergent thrusts and an east-vergent back thrust, respectively, for these three branches. By compiling the ages data in the boreholes, trenches and terraces, we estimated a long-term relative uplift rate of 2. 3 = 0. 1 cm/yr in the hanging wall of the Chihshang Fault and an average alluvial sedimentation rate of about 1. 1 = 0. 1 cm /yr during the past a few thousand years. In order to better understand how the effect of pore-fluid pressure variations in the aquifer within the alluvial gravels influences the near-surface behaviour of the Chihshang Fault, nine observations wells of groundwater were drilled at depths ranging from 30 to 100 m through the aquifer from the footwall to the hanging wall. Monitoring of natural pore pressure variations in piezometers, monthly slug experiments (few seconds), and long duration pumping/injection experiments (hours to days) were carried out during 2007-2011. Together with the subsurface electrical resistivity imaging, surface fracture investigations, and core geological analysis, we identified an aquifer zone that is deformed and fractured by the fault zone. The results showed that the permeability of the faults zone is smaller 1 order than that of the footwall. The variance of permeability caused a 10 meter step of groundwater level from the hanging wall to the footwall in the view of spatial domain. On the other hand, repeated hydraulic tests revealed that the permeability varied with time increased 20 times in the hanging wall from 2007 to 2011. A drastic increase of the permeability in the fault zone was observed from April to September 2008. Two possibilities are interpreted this phenomenon : (1) the increased cumulated earthquake events changed the stress fields along the Chihshang Fault and caused the new fractures around the Fault zone ; (2) the vertical displacement revealed that the dilatation may be happened in the fault zone which increased the porosity to induce a drastic increase of permeability in-situ.