Cinématique actuelle dans les Andes du Nord par GPS

Current kinematics in the Northern Andes by GPS

• Auteur / Autrice : Paúl Jarrín Tamayo
• Direction : Frédérique Rolandone, Jean-Mathieu Nocquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Elia d' Acremont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianne Saillard, Alexandra Alvarado
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Vigny, François Jouanne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels en géodésie

Andes (nord)

Cinématique

Nazca (Pérou)

Tectonique des plaques

Mots clés libres

Bloc modèle

Modèle élastique

Estimation du pôle d'Euler

Andes du Nord

Nazca

Géodésie satellitaire

Block model

Elastic model

Euler pole estimate

Résumé

La région des Andes du Nord est un domaine continental situé à l'extrême nord-ouest de la plaque sud-américaine. Cette région, longue de ~2200 km et large de 300 à 1000 km, est un laboratoire naturel pour l'étude du partitionnement de la déformation, du cycle sismique, et de la collision des domaines continentaux. La convergence rapide et oblique de la plaque Nazca sous l'Amérique du sud induit (1) une déformation élastique associée au blocage partiel de l'interface de subduction le long de la marge équatoriano-colombienne et (2) une contrainte de cisaillement à long-terme, qui se traduit par un mouvement de translation du Sliver Nord Andin (NAS) vers le nord-est par rapport à la plaque Sud-Amérique. De plus, la convergence du NAS produit également une diversité de la sismicité interplaque et intraplaque, observée depuis la fin du 19ème siècle. Par ailleurs, la collision vers l'est du bloc Panama et la subduction de la plaque Caraïbe induisent des déformations qui dominent la cinématique dans la partie nord du NAS. Les techniques de géodésie spatiale, en particulier les mesures par GPS/GNSS, permettent de quantifier les mouvements à la surface terrestre avec une précision millimétrique. L'intégration de ces mesures avec des modèles élastiques nous permet d'apporter des informations sur la cinématique et sur le niveau de couplage inter-sismique le long de l'interface de subduction. Cette thèse est consacrée à l'étude de la phase inter-sismique du cycle sismique avec un intérêt particulier pour la déformation continentale autour et au sein du NAS. L'objectif est d'affiner la cinématique de la plaque Nazca et du Sliver Nord Andin. Pour cela, les mesures GPS acquises par divers instituts de recherche et la collaboration Franco-équatorien (projets ADN et S5, Laboratoire Mixte International SVAN), entre 1994.0 et 2019.9 sont utilisées pour dériver un nouveau champ de vitesse horizontale à l'échelle continentale. L'analyse et la modélisation de ce champ de vitesse sont centrées sur deux axes principaux qui conduisent à la construction du premier modèle cinématique de blocs élastiques pour le NAS et les régions voisines. Ce modèle résout simultanément les rotations rigides des blocs et la distribution de couplage inter-sismique sur les interfaces de subduction, fournissant des taux de glissement des failles crustales cohérents avec la cinématique dérivée. En ce qui concerne la plaque océanique Nazca, nous proposons un nouveau pôle d'Euler qui décrit son mouvement actuel par rapport à l'Amérique du sud. Ce pôle a été estimé à partir de 5 sites GPS continus qui couvrent la quasi-totalité de la plaque. Notre analyse montre que les données sont compatibles avec la cinématique d'une seule plaque rigide (wrms = 0.6 mm/an). Notre pôle prédit un taux de convergence maximal de 65.5 ± 0.8 mm/an à la latitude ~30°S le long de la fosse chilienne, qui diminue à 50.8 ± 0.7 mm/an au nord de la Colombie, et à 64.5 ± 0.9 mm/an au sud du Chili. Cette étude révèle aussi que la composante est de la vitesse à l'île de Robinson Crusoé (latitude ~33.6°S) est ~4 à 5 mm/an plus rapide que le mouvement général de la plaque, en raison de la relaxation visco-élastique à la suite du séisme de Maule au Chili de magnitude Mw 8.8 en 2010. Le modèle cinématique obtenu pour les Andes du Nord confirme que les mouvements relatifs entre les plaques Nazca/SOAM et Caraïbes/SOAM ne sont pas accommodés sur le continent par un seul système de failles. Nous mettons en évidence une déformation interne de 2-4 mm/an, localisée sur des failles secondaires actives (les systèmes de failles Oca-Ancon, Santa Martha-Bucarmanga, Romeral et Latacunga-Quito-El Angel). Ces failles limitent des blocs tectoniques et définissent la rotation de 6 blocs. La limite orientale du NAS est définie par un système transpressif latéral dextre qui accommode 5 à 17 mm/an. Notre modèle quantifie l'ordre de grandeur des mouvements accommodés par la collision du bloc Panama avec le NAS sur des [...]

The Northern Andes is a continental domain located at the northwestern edge of the South American Plate. This ~2200 km long and 300 to 1000 km wide region defines a natural laboratory for various studies of divers processes, including deformation partitioning, inter-seismic coupling, and continental collision. The oblique and fast convergence of the Nazca plate beneath South America induces (1) elastic deformation induced by spatially variable locking at the subduction interface along the Equatorian-Colombian margin and (2) long-term shear stress, which results in a translation-like motion of the North Andean Sliver (NAS) towards northeast with respect to the South American plate. Furthermore, Nazca plate convergence also produces a diversity of interplate and intraplate seismicity, which has been observed since the 19th century. In the northwestern Andes, eastward collision of the Panama block against the NAS and the Caribbean subduction induce deformation that dominates the kinematics at the northern part of the NAS. Spatial geodesy techniques, in particular GPS/GNSS measurements, make it possible to quantify movements on the earth's surface with millimeter accuracy. The integration of these measurements with elastic models allows us to provide information about the kinematics and the inter-seismic coupling distribution at the subduction interface. This thesis focuses on studying the inter-seismic phase of the seismic cycle with a particular interest in the continental deformation along and within the NAS. The aim is to improve the kinematic models for the Nazca plate and the North Andean Sliver. For that, GPS measurements collected by several research institutes and the Franco-Ecuadorian collaboration (ADN & S5 projects, SVAN International Joint Laboratory), between 1994.0 and 2019.9 are used to derive a new and more refined horizontal velocity field at the continental scale. The analysis and modeling of this velocity field is centered on two main axes allowing to build the first kinematic elastic block model for the NAS and neighboring regions. This model simultaneously solves for rigid block rotations and spatially variable coupling at the subduction interfaces, providing crustal fault slip rates consistent with the derived kinematics. First, we propose a new Euler pole that describes the current motion of the Nazca plate with respect to South America. This pole is estimated from continuous measurements at 5 GPS sites, spatially sampling the entire plate. Our results show that GPS data are compatible with the kinematics of a single rigid plate (wrms = 0.6 mm/yr). Our pole predicts a maximum convergence rate at 65.5 ± 0.8 mm/yr at latitude ~30°S along the Chile trench, decreasing to 50.8 ± 0.7 mm/yr in northern Colombia, and 64.5 ± 0.9 mm/yr in southern Chile. A second-order result for the Nazca plate is that the velocity east component of Robinson Crusoe Island (latitude ~33.6°S) is ~4-5 mm/yr faster than the overall motion of the plate, which is induced by the visco-elastic relaxation following the Maule Mw 8.8 2010 earthquake in Chili. Secondly, our kinematic model for the northern Andes confirms that the Nazca/SOAM and Caribbean/SOAM relative motions are not accommodated inland by a single fault system. We find internal deformation at 2-4 mm/yr accommodated on active secondary faults (the Oca-Ancon, Santa Martha-Bucaramanga, Romeral, and Latacunga-Quito-El Angel faults). These faults bound tectonic blocks and define the rotation of 6 blocks. The NAS eastern boundary is found to be a right-lateral transpressive system accommodating 5 to 17 mm/yr of motion. Our model also quantifies the motion accommodated by the Panama block with respect to the NAS on active structures that we propose as new boundaries for these two continental domains. Relative motions take place at 6 mm/yr along the Uramita fault and 15 mm/yr in the Eastern Panama Deformed Zone. We also note that ~1 cm/yr of the Panama motion is transferred […]