Déformation saisonnière de la Terre sous l’effet des variations hydrologiques : impact sur la sismicité

Seasonal deformation of the Earth induced by variations in hydrology : impact on seismicity

• Auteur / Autrice : Kristel Chanard
• Direction : Alexandre Schubnel, Éric Calais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance le 21/10/2015
• Etablissement(s) : Paris, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la Terre ED 109
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Schubnel, Éric Calais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Mots clés libres

Géodésie

GPS

Hydrologie

GRACE

Déformation saisonnière

Sismicité périodique

Geodesy

GPS

Hydrology

GRACE

Seasonal deformation

Periodic sismicity

Résumé

Cette thèse a pour objectif de modéliser les déformations saisonnières de la Terre associées aux redistributions de masses d’eau de l’hydrosphère. Pour cela, nous tirons profit de la mesure des déplacements saisonniers du sol par Global positioning system (GPS) et de l’estimation des variations spatio-temporelles de l’hydrosphère déduite du champs de gravité terrestre mesuré par la mission Gravity and recovery climate experiment (GRACE). Ces données ouvrent la voie à des modèles précis de la déformation saisonnière, discutés dans le chapitre 1, qui auront des implications importantes pour la définition des référentiels terrestres, l’identification d’évènements tectoniques de glissement de période comparable ou encore pour la compréhension du lien entre déformation et sismicité saisonnière. Dans le chapitre 2, nous montrons que les déformations saisonnières mesurées en Himalaya sont expliquées par la réponse de la Terre à la charge saisonnière de GRACE qui produit des déplacements de surface cohérents au premier ordre avec les observations horizontales et verticales simultanément à condition d’utiliser un modèle de Terre réaliste, sphérique et stratifié. Nous étendons ensuite le modèle à l’échelle globale dans le chapitre 3, et comparons les déplacements induits par la charge saisonnière à 195 stations GPS, en tenant compte des contributions de degré-1 dans le signal GRACE (Swenson et al., 2008). Alors que la composante verticale est raisonnablement prédite, les composantes horizontales sont systématiquement sous-estimées et leur phase est mal reproduite. Nous montrons que ce désaccord entre modèle et observations horizontales à l’échelle mondiale peut être associé au premier ordre à une contribution de degré-1 sous-estimée, et non à la grande résolution spatiale de GRACE. Nous proposons de l’estimer à posteriori grâce à une transformation d’Helmert, représentant le mouvement du géocentre ainsi qu’une partie de la déformation de degré-1. La corrélation entre modèle et données horizontales est nettement améliorée, sans que les prédictions verticales soient affectées. Au second ordre, nous montrons que les variations de volume dans le manteau terrestre liées aux changements de phase des minéraux qui le composent peuvent jouer un rôle dans la déformation saisonnière. Enfin, nous montrons qu’il est possible d’utiliser la déformation saisonnière pour déterminer une borne inférieure de la viscosité transitoire de l’asthénosphère, paramètre clé des modèles de déformation postsimique. Afin de tester l’hypothèse d’un impact des charges saisonnières sur la sismicité, nous examinons les variations de contrainte liées aux chargements saisonniers de surface. Nous menons également des expériences de déformation triaxiale sur des grès de Fontainebleau, saturés en eau soumis à des paliers de contrainte simulant un chargement tectonique, ainsi qu’à des oscillations sinusoïdales de la pression de pore simulant les marées ou l’hydrologie continentale. Nos observations expérimentales, détaillées dans le chapitre 4 suggèrent que les chargements périodiques de faible amplitude peuvent jouer un rôle important dans la longue phase de nucléation des séismes.

In this thesis, we aim at modeling accurately seasonal deformation of the Earth induced by redistribution of hydrosphere masses. We take advantage of seasonal ground displacements measured by continuous stations of the Global Positioning System (cGPS) and the estimate of the spatio-temporal evolution of surface hydrology derived from the Gravity and Recovery Climate Experiment (GRACE) measurements. Precise geophysical models of the seasonal deformation, discussed in Chapter 1, of the Earth have far-reaching implications in defining international terrestrial reference frame, detecting potential transient deformation with comparable period or even understanding the link between induced stress perturbations and seasonal seismicity. In Chapter 2, we show that seasonal ground displacements recorded by cGPS stations in the Himalaya are fairly well explained by the Earth’s response to seasonal hydrology derived from GRACE, which induces coherent surface displacements, in first orderapproximation, with horizontal and vertical observations simultaneously, provided that a realistic elastic, spherical and layered model for Earth is used. We extend the model to a global scale in Chapter 3, and compare displacements induced by the seasonal load at 195 cGPS stations globally distributed. We account for the degree-1 contribution in GRACE using results from Swenson et al. (2008). We find that, while the vertical displacements are well predicted by the model, the horizontal components are systematically underpredicted and out-of-phase with the observations. We show a significant improvement when we do not apply a priori degree-1 coefficients but estimate and apply a posteriori a Helmert transformto the horizontal components. The fit in phase and amplitude of the seasonal deformation model to the horizontal components is improved and does not affect the fit to the vertical measurements. We conclude that horizontal misfits result mostly from degree-one deformation plus reference frame differences between model and observations, and not from the limited spatial resolution of GRACE. However, the amplitude of global seasonal horizontal displacement remains slightlyunderpredicted. We show that mantle volume variations due to mineral phase transitions may play a role in the seasonal deformation and, as a by-product, use this seasonal deformation to provide a lower bound of the transient astenospheric viscosity. Finally, in order to test the impact of seasonal forcing on seismicity, we estimate the amplitude of periodic stress perturbations induced by seasonal loading. To further investigate the question, we performa set of triaxial deformation experiments on water-saturated Fontainebleau sandstones. Rock samples are loaded by the combined action of steps of constant stress, intended to simulate tectonic loading and small sinusoidal pore pressure variations, analogous to tides or seasonal loading. Our experimental results suggest that the correlation of small stress perturbations and acoustic emissions depends primarily on the state stress of the rock and that emissions occur more likely when cracks are unclamped. In other words, our observations suggest that tidal triggering might occur favorably during the long nucleation phase of earthquake.