Exploiting space-based optical and radar imagery to measure and model tectonic deformation in continental areas

par Benjamin Lauer

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'environnement

Sous la direction de Yann Klinger.

Soutenue le 04-12-2019

à l'Université Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Gaudemer.

Le jury était composé de Yann Klinger, Yves Gaudemer, Anne Socquet, Laurent Polidori, Raphaël Grandin, Bénédicte Fruneau, Ewelina Rupnik.

Les rapporteurs étaient Anne Socquet, Laurent Polidori.

mots clés

• Déformation tectonique
• Séisme du Balochistan
• Faille de Chaman
• Imagerie radar
• Imagerie Corona historique
• Modélisation de rupture sismique
• Déficit de glissement en surface
• Glissement asismique
• Astronautique en géodésie
• Tectonique -- Baloutchistan (Pakistan)
• Décrochements (géologie)
• Télédétection
• Modèles en géologie
• Imagerie optique

Titre traduit

Exploitation de l’imagerie satellitaire optique et radar pour mesurer et modéliser la déformation tectonique en milieu continental

Résumé

Dans ce travail, nous souhaitons montrer l’atout de l’imagerie satellite pour contraindre et modéliser la déformation tectonique. Cette dernière représente la signature du comportement des failles et est un élément clé pour comprendre leur mécanique et les risques associés. Plus particulièrement, nous souhaitons montrer le bénéfice 1) de la combinaison d’images satellite optiques et radar pour mesurer la déformation cosismique en 3D et modéliser les caractéristiques des failles (géométrie et glissement) et 2) de l’utilisation d’images satellite historiques pour étendre la couverture temporelle des mesures et quantifier des déformations lentes. Le séisme du Balochistan fut largement décrochant senestre, avec une composante de chevauchement secondaire. En combinant des images satellite optiques (SPOT 5, Landsat 8) et radar (RADARSAT-2, TerraSAR-X ScanSAR), nous calculons le champ de déformation cosismique complet en 3D ainsi que la distribution de glissement en surface. Cet ensemble de données nous permet également d’explorer la géométrie de faille et la distribution du glissement en profondeur. Certains segments de la faille décrochant de Chaman (Pakistan) sont sujets à du glissement superficiel asismique de l’ordre d’un cm/an. Nous présentons l’avancement actuel d’un projet en cours dont le but est de mesurer un tel glissement à partir d’images historiques Corona. La procédure d’acquisition atypique de ces images et le manque de métadonnées impose une réévaluation de la chaîne de traitement photogrammétrique. Nous présentons donc un modèle de caméra et une méthode automatisée de génération de Points d’Appui à partir d’images SPOT 6/7, nous permettant de calibrer le modèle de caméra.

mots clés

• Tectonic deformation
• Balochistan earthquake
• Chaman fault
• Radar imagery
• Corona historical images
• Earthquake rupture modelling
• Shallow slip deficit
• Aseismic creep

Résumé

In this work we aim to illustrate the asset of satellite imagery to constrain and model tectonic deformation. Tectonic deformation is a signature of faults behavior and is a key element to understand fault systems mechanics and the corresponding hazard. We especially intend to demonstrate the benefit of 1) combining satellite optical and radar data to measure coseismic deformations in 3D and provide constraints to model the geometric and cinematic properties of faults and 2) enhance the temporal coverage of measurements by using historical satellite images to quantify slow deformation over time. The Balochistan earthquake was dominated by left-lateral slip, with a secondary reverse component. By combining optical (SPOT 5, Landsat 8) and radar satellite data (RADARSAT-2, TerraSAR-X ScanSAR), we derive the full 3D coseismic displacement field and the slip distribution at the surface. Such an extensive dataset allows us to explore the fault geometry and the slip distribution at depth. A few segments of the strike-slip Chaman fault, in Pakistan, are prone to shallow aseismic creep at a rate of ~1cm/yr. We present the current status of an ongoing project that aims to enable creep rate measurements from Corona historical images. Both the atypical acquisition procedure of these images (panoramic pushbroom) and the lack of metadata impose a reassessment of part of the photogrammetric processing. We thus present an implementation of a camera model and a fully automated method to compute Ground Control Points for Corona images using current SPOT 6/7 imagery, allowing for calibrating the camera model.