Application de géodésie satellitaire GNSS à haute résolution à la déformation de la marge Sud-Caraïbe. Implication pour l'aléa sismique dans l'Ouest et le Nord-Est du Venezuela

High resolution geodetic GNSS surveys of the present day deformation along the South-Caribbean margin. Implications for earthquake hazard assessment in western and north-eastern Venezuela

• Auteur / Autrice : Carlos Eduardo Reinoza Gomez
• Direction : François Jouanne, Franck A. Audemard M.
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christian Beck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurelia Hubert-Ferrari, Cécile Lasserre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Chéry, Pierre Briole

Mots clés

Mots clés libres

Tectonique

Aléa sismique

Faille

Géodésie GNSS

Cinématique

Vénézuela

Tectonics

Earthquake hazard

Fault

Geodesy GNSS

Kinematics

Venezuela

Résumé

Cette thèse présente des observations GNSS dans l'Ouest et le Nord-Est Vénézuélien, et Trinidad utilisées pour contraindre la géodynamique de la zone d'étude et la cinématique des principales failles dans cette frontière des plaques. Je présente un travail intégral de conception, installations d'un réseau géodésique dans l'ouest du Venezuela et deux campagnes d'acquisition des données GNSS. Dans le Nord-Est Vénézuélien, une campagne d'acquisition des données a été réalisée avec la réoccupation des repères installés et mesurés depuis 2003. Lors du traitement des données, j'ai inclus l'ensemble des campagnes antérieures disponibles et les données des stations GNSS permanentes de la région. Les vitesses observées dans l'Ouest Vénézuélien correspondent bien avec le mouvement des plaques Caraïbes et Sud Amérique. Cependant, le lent taux de déplacement des failles principales et le court intervalle de temps entre les observations n'a pas permis d'obtenir un champ des vitesses avec suffisamment de précision. Au contraire, les observations épisodiques réalisées sur dix ans dans le Nord-Est du Venezuela ont permis contraindre la cinématique de la faille d'El Pilar (EPF). Dans cette région, nous avons étudié les effets de la variation des propriétés élastiques sur la faille et de part et d'autre de celle-ci. Le champ de vitesses asymétrique obtenu sur les deux côtés de la faille a été simulé avec cinq approches. Un premier modèle simple dans un demi-espace homogène montre une profondeur de blocage de 1,8 km. À l'aide d'un modèle hétérogène en considérant des contrastes entre les propriétés du matériel de part et d'autre de l'EPF, nous avons montré une profondeur de blocage de 3 km et un coefficient de rigidité de 0,37. Cette dernière valeur indique que le côté nord à l'EPF composé de roches ignées et métamorphiques présente une rigidité ~1,7 fois supérieure au côté sud composé de formations sédimentaires. À partir d'un modèle tridimensionnel élastostatique, la présence d'une zone de compliance a été suggérée. Cette zone proche de la faille caractérisée par une faible rigidité serait présente de la surface à 3 km de profondeur et présenterait une largeur de 1 à 5 km et une réduction de rigidité de 30%. La simulation des vélocités avec un modèle de distribution du glissement le long du plan de faille montre la présence de glissements asismiques dans toute la partie supérieure du segment Ouest tandis que la partie supérieure du segment Est se montre partialement bloquée, ce secteur partiellement bloqué correspondrait à la rupture en surface des séismes de 1797 et 1929. En se basant sur la combinaison des vélocités obtenues par comparaison GPS/GPS et triangulation/GPS nous avons étudié la cinématique des failles principales de Trinidad. Le champ de vitesses de part et d'autre de la faille de la cordillère centrale de Trinidad (CRF) indique une asymétrie du gradient de vitesse de part et d'autre de la faille. Le modèle simple de déformation interseismique montre une profondeur de blocage de 10 km et le modèle hétérogène asymétrique suggère une profondeur de blocage de 2,5 km avec un coefficient de rigidité de 0,20 %, qui suggère une rigidité trois fois supérieure du côté nord par rapport au côté sud. La simulation du glissement le long des failles de Trinidad montre un glissement asismique atteignant 12 mm/an le long de la partie supérieure de la CRF et de sa prolongation en mer la Warm Spring Fault. Ce comportement change vers le nord-est avec une diminution importante du creep le long de la partie supérieure de la faille. La prolongation de l'EPF se montre inactive à Trinidad. L'existence d'un creep important le long des failles d'El Pilar et de la faille de la cordillère centrale de Trinidad pourrait expliquer le bas niveau de sismicité instrumentale, historique et préhistorique de ces accidents qui localisent pourtant un coulissement de 20mm/an. L'existence de ce creep induirait une réduction de l'aléa sismique de moitié.

The Caribbean-South American plate boundary is described as a wide active transpresional zone. This dissertation presents GNSS observations in Western and Northeastern Venezuela, and Trinidad used to constrain the geodynamic of the region and the kinematic of the principal faults along this plate boundary. Here, a whole work of conception, installation of network and measurements with two campaigns of GNSS observations in Western Venezuela is presented. In the case of Northeastern Venezuela, a GNSS data acquisition campaign was carried out measuring pre-existing sites installed and occupied since 2003 by FUNVISIS and University of Savoie team. The data processing for these sites includes data from previous acquisition campaigns and permanent GNSS stations. In Western Venezuela, observed velocities correspond roughly with the motion of Caribbean and South American plates. Nonetheless, the slow rate of fault-slip of main faults and the short span between the data acquisition campaigns in Western Venezuela do not allow assess the velocity field with sufficient accuracy. In northeastern Venezuela, I focused on the effects of variable elastic properties of the El Pilar Fault (EPF) and surrounding medium on inferred slip rates and locking depths. The asymmetric velocity field on both sides of EPF have been evaluated with five approaches. In a first step, a simple elastic half-space model was applied showing a 1.8 km locking depth. Next, a model considering contrast of material properties across the EPF depicts out 3 km locking depth and a 0.37 asymmetric coefficient indicating that the igneous-metamorphic northern side has a rigidity ~1.7 times higher than the sedimentary southern side. From a three-dimensional elastostatic model, the presence of a near-fault low-rigidity compliant zone has been evaluated suggesting a zone in the upper 3 km in depth and going from 1 to 5 km width with a 30 per cent of rigidity reduction. The creep associated to the shallow locking depth was clearly shown with the slip distribution model and the displacement simulation method. The results show a widespread partially-creep pattern in the eastern upper segment, while the upper western segment exhibits a partially locked area which coincides with the rupture surface of 1797 and 1929 earthquakes. From the compilation of GNSS observations and triangulation-to-GPS comparison of previous studies, the kinematic of main faults in Trinidad has been studied. The velocity field across the Central Range Fault (CRF) points out an asymmetry of velocity gradient on both sides. The heterogeneous asymmetric model point out a 2.5 km locking depth with a 0.20 asymmetric coefficient indicating that the northern side has a rigidity ~3.3 times higher to the southern side. Similar approaches have been applied to the EPF extension in Trinidad. The creep in the upper part of CRF as response to the shallow locking depth was quantified using a slip distribution model. A creep of 12 mm/yr was calculated in the southwestern onshore portion of the CRF and the Warm Springs Fault, nevertheless, this behavior changes northeastward where the CRF show a significant decrease of slip in the upper part. The slip along the EPF prolongation appears locked along its upper and lower part in the onshore portion demonstrating that this segment section is not needed to simulate observed velocities and is inactive. Furthermore, the Los Bajos Fault is shown with a slip of 7 mm/yr in the segment upon which the EPF in Venezuela transfers its slip eastward and that act as a synthetic Riedel shears. The localized aseismic displacement pattern associated with creeping or partially creeping fault segments could explain the low level of historical seismicity in the Northeastern Venezuela and Trinidad. The EPF in Venezuela and the CRF accommodate between 50-60% of the plate boundary zone motion that point out a reduction of the seismic hazard almost by half