Amélioration des modèles prédictifs de séismes pour le PSHA grâce aux données géodésiques : application en Equateur

Improving earthquake forecast models for PSHA with geodetic data, applied on Ecuador

• Auteur / Autrice : Judith Mariniere
• Direction : Celine Beauval, Jean-Mathieu Nocquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre Solide
• Date : Soutenance le 08/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Andréa Walpersdorf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kris Vanneste, Stéphane Mazzotti, Philippe Charvis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicola D'Agostino, Marco Pagani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Subduction

Risques sismiques

Géodésie

Mots clés libres

Carte d'aléa sismique

Modèles géodésiques

Taux de glissement

PSHA

Seismic hazard maps

Geodetic models

Slip rates

PSHA

Résumé

L'évaluation probabiliste de l’aléa sismique (PSHA) s'appuie sur des modèles de prédictions sismiques long terme et des modèles de mouvements du sol. Jusqu'à présent, les données géodésiques sont restées sous-utilisées dans le cadre du PSHA, bien qu'elles fournissent des informations uniques et sans précédent sur les taux de déformation des structures tectoniques, de l'échelle locale à l'échelle régionale. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les modèles de récurrence des séismes en incluant quantitativement les informations dérivées des mesures géodésiques, avec une application à l'Équateur, un pays exposé à la fois aux séismes de faible profondeur de la croûte terrestre et aux mégathrusts de la zone de subduction. Le deuxième chapitre présente la construction d'un modèle probabiliste d'aléa sismique pour l'Équateur, en utilisant la sismicité historique et récente, les connaissances actuelles sur la tectonique active, la géodynamique et la géodésie. J'ai contribué à cet effort collectif de deux manières : 1) la création de catalogues sismiques à partir d'ensembles de données sismiques mondiales ; 2) l'établissement de taux de glissement moyens sur un ensemble de failles crustales simplifiées, à partir des vitesses GPS. Les calculs d'aléas effectués à l'échelle du pays indiquent que les incertitudes sont plus grandes pour les sites de la côte nord et le long des failles de la Cordillère. Le troisième chapitre de cette thèse se concentre sur la détermination du potentiel sismique du système de failles de Quito. La ville de Quito est traversée par une faille inverse de ∼60-km de long, représentant un risque important en raison de la forte densité de population. Nous contraignons l'accumulation actuelle des contraintes associées au système de failles avec les données GPS et l'analyse du radar à ouverture synthétique (PS-InSAR). Les modèles de blocage variables dans l'espace en 3D montrent qu'une grande partie de la faille subit actuellement un glissement à faible profondeur, réduisant ainsi l'énergie disponible pour les futurs séismes, ce qui a un impact significatif sur les calculs d'aléa. Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous évaluons la capacité des données géodésiques à contraindre les modèles de récurrence des séismes pour la zone de subduction dans le nord de l'Équateur. À l'aide de modèles de couplage intersismique, nous mesurons le taux annuel d'accumulation du déficit de moment sur l'interface et identifions les incertitudes liées à la conversion en termes de relâchement du moment sismique total. Sur la base d'un catalogue de séismes nouvellement développé, nous proposons d'établir des modèles de récurrence qui correspondent à la fois aux taux de sismicité basés sur le catalogue et au budget du moment géodésique. Nous établissons un arbre logique pour explorer les incertitudes sur les taux de sismicité et sur le budget du moment géodésique à libérer lors des séismes. L'exploration de l'arbre logique conduit à une distribution des magnitudes maximales Mmax possibles délimitant le modèle de récurrence des séismes ; nous n'extrayons que les modèles qui fournissent des Mmax compatibles avec la longueur du segment interface. Cette nouvelle méthode permet 1) d'identifier quelle forme de modèle de récurrence est adaptée à la subduction équatorienne ; 2) de générer une distribution de modèles de récurrence équilibrés en termes de moments représentatifs des incertitudes et de propager cette incertitude jusqu'aux spectres à risque uniforme (UHS) ; et 3) d'évaluer une gamme de valeurs pour la composante sismique du glissement sur l'interface. Compte tenu de la disponibilité récente d'une quantité massive de données géodésiques, cette nouvelle approche pourrait être utilisée dans d'autres régions du monde pour développer des modèles de récurrence cohérents à la fois avec la sismicité passée et la déformation tectonique mesurée.

Probabilistic Seismic Hazard Assessment (PSHA) relies on long-term earthquake forecasts, and ground-motion models. Up to now, geodetic data has been rather under-used in PSHA, although it provides unique and unprecedented information on the deformation rates of tectonic structures from local to regional scales. The aim of this PhD thesis is to improve earthquake recurrence models by quantitatively including the information derived from geodetic measurements, with an application to Ecuador, a country exposed both to shallow crustal earthquakes and megathrust subduction events. The second chapter presents the building of a probabilistic seismic hazard model for Ecuador, using historical and contemporary seismicity, recent knowledges about active tectonics, geodynamics, and geodesy. I contributed to this collective effort in two ways: 1) the building of earthquake catalogs from global seismic datasets; 2) the establishment of average slip rates on a set of simplified crustal faults, from GPS velocities. The hazard calculations led at the country scale indicate that uncertainties are largest for sites on the northern coast and along the faults in the Cordillera. The second chapter of this PhD focuses on the determination of the seismic potential of the Quito fault system. Quito city lies on the hanging wall of this ∼60-km-long reverse active fault, representing significant risks due to the high population density. We constrain the present-day strain accumulation associated with the fault system with GPS data and Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar (PS-InSAR) analysis. 3-D spatially variable locking models show that a large part of the fault is presently experiencing shallow creep, hence reducing the energy available for future earthquakes, which has a significant impact for hazard calculation. In the third part of this PhD, we evaluate the ability of geodetic data to constrain earthquake recurrence models for the subduction zone in northern Ecuador. We quantify the annual rate of moment deficit accumulation at the interface using interseismic coupling models, and identify the uncertainties related to the conversion in terms of total seismic moment release. Based on a newly-developed earthquake catalog, we propose to establish recurrence models that match both the catalog-based seismicity rates and the geodetic moment budget. We set up a logic tree for exploring the uncertainties on the seismic rates and on the geodetic moment budget to be released in earthquakes. The exploration of the logic tree leads to a distribution of possible maximal magnitudes Mmax bounding the earthquake recurrence model; we extract only those models that lead to Mmax values compatible with the extent of the interface segment according to earthquake scaling laws. This new method allows 1) to identify which magnitude-frequency form is adapted for the Ecuadorian subduction; 2) to generate a distribution of moment-balanced recurrence models representative of uncertainties and propagate this uncertainty up to the uniform hazard spectra; and 3) to evaluate a range for the aseismic component of the slip on the interface. Considering the recent availability of massive quantity of geodetic data, this new approach could be used in other regions of the world to develop recurrence models consistent both with past seismicity and measured tectonic deformation.