Le couplage intersismique et les glissements lents vus par la géodésie spatiale : applications à la subduction mexicaine et à la faille décrochante nord anatolienne

Interseismic coupling and slow slip events seen by space geodesy : application to the Mexican subduction zone and the North Anatolian strike-slip fault

• Auteur / Autrice : Baptiste Rousset
• Direction : François Renard, Andréa Walpersdorf, Cécile Lasserre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 22/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Mazzotti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Renard, Cécile Doubre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Avouac, Éric Calais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séismes

Géodésie

Mots clés libres

Glissement asismique

Géodésie

Faille active

Slow slip phenomena

Geodesy

Active fault

Résumé

L'avènement de la géodésie spatiale ces dernières décennies a permis la découverte de la diversité des modes de glissement sur les failles. Dans cette thèse, nous nous intéressons au glissement asismique à la fois en contexte de subduction et en contexte décrochant. Nous étudions l'ensemble de la subduction mexicaine au niveau des régions de Guerrero et Oaxaca, où plusieurs séismes lents ont été répertoriés, ainsi que le segment en glissement asismique d'Ismetpasa le long de la faille décrochante Nord-Anatolienne en Turquie. La carte de couplage (estimé entre les grands séismes lents) entre les plaques Cocos et Nord Américaine indique un couplage élevé et relativement homogène en base de zone sismogénique. Cependant, des variations latérales de couplage importantes sont remarquables dans la zone sismogénique. En particulier, une zone de fort couplage à Oaxaca est localisée à l'emplacement de la rupture sismique de 1978 et a accumulé un déficit de glissement de 5 cm en 9 ans. Ces variations latérales de couplage sont corrélées avec les distances fosse-côte et des zones à l'état critiques sont localisées aux transitions entre faible et fort couplage. Ces observations suggèrent une pérennité au long-terme des motifs spatiaux de couplage. Nous proposons un mécanisme de déformation durant la phase co-sismique, basé sur l'existence de transitions frictionnelles sur le plan de subduction, qui permet de réconcilier les vitesses intersismiques mesurées sur quelques décennies et la morphologie long-terme. Ces vitesses intersismiques sont généralement considérées comme constantes sur plusieurs années. Cependant, une analyse plus fine montre une riche dynamique temporelle, avec en particulier la présence d'évènements transitoires finis de magnitudes et durées variables. Nous avons suivi deux approches afin de détecter et caractériser des glissements transitoires dans nos deux zones d'étude. (i) L'analyse d'un réseau dense d'interférogrammes, obtenus à partir de données InSAR des satellites CosmoSky-Med sur le segment de faille d'Ismetpasa, a permis de détecter un évènement de glissement transitoire d'un mois. Enregistré en Novembre 2013, aucun autre glissement n'a été détecté durant les 9 autres mois de l'analyse. Cet évènement d'une magnitude de 5.2 à 5.5 a relâché une énergie équivalant à 1,5 à 2 ans de glissement asismique continu à la vitesse moyenne précédemment estimée. Cette découverte remet en question le modèle mécanique de glissement de ce segment. (ii) Le développement d'une méthode de corrélation entre des évènements de glissements synthétiques et des séries temporelles GPS préalablement traitées permet la détection de glissements transitoires d'amplitude équivalente à celle du bruit. Appliquée à un jeu de données synthétiques sur la subduction mexicaine, cette méthode montre que l'on peut caractériser avec précision des évènements de Mw > 6. Appliquée à des données réelles au niveau de la lacune sismique de Guerrero entre Février 2005 et Mai 2007, cette méthode a permis de détecter 15 nouveaux événements transitoires. Ces évènements coïncident temporellement avec de fortes activités de trémors et LFEs et sont localisés aux pourtours du séisme lent de Mw 7.5 de 2006. Ces détections permettent de mieux contraindre la loi d'échelle des glissements lents et d'éclairer la dynamique spatiale et temporelles des évènements transitoires en base de zone sismogénique.

The development of space geodesy during the last decades has led to the discovery of the slip modes diversity on faults. In this thesis, we focus on aseismic slip on both subduction zones and continental strike slip faults. We study the subduction zone of Mexico, from Guerrero to Oaxaca regions, where large Slow Slip Events have been recorded, as well as the Ismetpasa creeping fault segment of the North Anatolian Fault in Turkey. The map of interplate coupling (in between large slow slip events) estimated between the Cocos and North America plates in Mexico shows a relatively high coupling coefficient, laterally homogeneous at the base of the seismogenic zone. Strong lateral coupling variations are notable within the seismogenic zone. A high coupling pattern in Oaxaca is located in the same area as the 1978 seismic rupture and has accumulated 5 cm of slip deficit in 9 years. Those lateral coupling variations are correlated with trench-coast distances. We show that critical state areas are located at the transitions between low and high coupling zones. These observations suggest a persistency of the coupling patterns over geological time scales. We propose a mechanism of deformation during the coseismic phase, related to the existence of frictional transitions on the subduction plane, that allows to reconcile decadal observations of interseismic velocities with the long term building of the coastal morphology. The interseismic velocities are generally considered to be constant over a few years. However, refined temporal analysis show the richness of their temporal dynamics, with evidences of slow slip events of various magnitudes and durations. We follow two different approaches to detect and characterize small amplitude slow slip events in our two study areas. (i) The dense network of interferograms with short repeat times acquired by the CosmoSky-Med constellation along the Ismetpasa fault segment allows to detect a month-long transient slip event. During the 9 other months of the analysis, no clear aseismic slip signal has been observed. With a Mw 5.2 - 5.5, this transient event has released an energy equivalent to the one that would be released during 1.5 - 2 years at the average creep rate estimated by previous studies. This discovery forces us to reconsider the mechanical model in place for this segment. (ii) The development of a correlation methodology between synthetic transient slip events and post-processed GPS time series allows to detect transient events with amplitude close to the GPS background noise. Applied to a synthetic dataset over the Mexican subduction zone, we show that this method is able to precisely detect and characterize Mw>6 events. Applied to real data between February 2005 and May 2007 in the Guerrero gap area, our new GPS-matched filter allows to detect 15 new events. Those events are temporally correlated with bursts of tremors and LFEs activity and are surrounding the Mw 7.5 2006 SSE. These detections enable to better characterise the slow slip events scaling law and shed a new light on the spatial interaction of slow slip events at the base of the seismogenic zone.