Mesure de la déformation de surface associée aux grands séismes continentaux par méthode de corrélation d'images satellites optiques haute-résolution : application aux séismes du Baloutchistan (Pakistan, 2013) et de Ridgecrest (Californie, 2019)

Application of high-resolution optical image correlation to resolve the near-fault surface deformation associated with large continental earthquake ruptures : the 2013 Baluchistan (Pakistan) and 2019 Ridgecrest (California) earthquakes

• Auteur / Autrice : Solène Antoine
• Direction : Yann Klinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Robin Lacassin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Klinger, Robin Lacassin, Thomas K. Rockwell, Cécile Lasserre, Michele Cooke, Daniel R. Faulkner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas K. Rockwell, Cécile Lasserre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Baloutchistan (Pakistan)

Séismes

Failles (géologie)

Tectonique

Mots clés libres

Ruptures de surface

Déformation distribuée

Déformation diffuse

Corrélation d'images optiques

Séisme de Ridgecrest

Tectonics

Surface ruptures

Distributed deformation

Diffuse deformation

Fault

Optical image correlation

Baluchistan

Ridgecrest

Résumé

Les grands séismes décrochants se produisent le plus souvent sur des systèmes de faille complexes, avec une partie de la déformation de surface distribuée entre la zone de rupture principale et le milieu environnant, également appelé off-fault. La déformation de surface totale associée à un séisme est donc difficile à observer et à quantifier sur le terrain. Dans cette thèse, nous utilisons la corrélation sub-pixellique d'images optiques de résolution 0,50 m pour mesurer le détail du champ de déplacement 3D, au plus proche de la zone de faille, le long des ruptures de Ridgecrest (2019, Mw6.4 et Mw7.1, Californie) et sur une portion de 30 km le long de la rupture du Baloutchistan (2013, Mw7.7, Pakistan). Pour ces deux cas d'études, nous cherchons à comprendre les mécanismes de distribution de la déformation cosismique à la surface, et les paramètrent qui influent sur cette distribution. Dans ce but, nous effectuons une analyse détaillée de la distribution de la déformation de surface. Nous quantifions avec une précision de 0,10 à 0,20 m le déplacement total au travers de la zone de faille, le glissement sur chacune des failles activées, ainsi que la déformation off-fault (OFD). Nos résultats montrent que la déformation de surface peut être localisée dans une zone de faille inférieur à 30-40 m, mais qu'elle se distribue souvent à travers des zones de plusieurs centaines de mètres à kilomètres de large. Dans ces zones de déformation plus larges, l'OFD apparait soit par des failles et fractures secondaires visibles à la surface, soit par des gradients de déplacement continus de pente 10-2 à 10-3. Ces gradients sont interprétés comme étant de la déformation diffuse et sont largement observés le long de la rupture de Ridgecrest, où ils représentent en moyenne 30% de la déformation de surface totale. Le long de la zone d'étude sur la rupture du Baloutchistan, nous mesurons en moyenne 16% d'OFD, incluant la déformation diffuse et les zones de fractures secondaires. Cette différence s'explique par une plus grande proportion de zones de failles linéaires dans le cas de la rupture du Baloutchistan. A l'inverse, les ruptures de Ridgecrest sont bien plus complexes et présentent une segmentation du glissement en surface et en profondeur, corrélée aux variations de géométrie de la faille. Nous discutons de l'impact du contexte géologique sur la géométrie des failles et montrons que le système de faille principal qui a rompu lors du séisme du Baloutchistan, à l'exception des quelques grandes complexités géométriques, correspond à une interface majeure entre les couches sédimentaires du socle plissé du Makran. Inversement, le séisme de Ridgecrest s'est produit dans une zone à lithologie et fabrique géologique hétérogènes, ce qui favorise une géométrie de faille complexe et donc une plus grande distribution de la déformation à la surface. Nous comparons nos observations à une série de mesures sismiques qui mettent en évidence des zones de répliques kilométriques autour des failles, interprétées comme de la déformation inélastique. Cela a pour conséquence une modification des propriétés élastiques de la roche sur une large épaisseur, et a un fort impact sur l'accumulation des contraintes intersismiques et sur la dynamique de rupture cosismique. Dans une dernière étape, nous utilisons les données optiques, combinées à des données InSAR et GPS, pour mieux contraindre les modèles d'inversions cinématiques et améliorer notre compréhension du mécanisme de la rupture en profondeur. La caractérisation du processus de rupture et de la mécanique de la zone de faille, associée aux observations tectoniques sur la distribution de la déformation à la surface, sont essentielles pour comprendre le cycle sismique sur une faille et pour estimer les probabilités de rupture de surface et de mouvements du sol.

Strike-slip ruptures generally occur on complex fault systems, with a deformation at the surface that distributes over wide areas through secondary faulting and diffuse deformation. As a consequence, the total surface displacement associated to an earthquake is particularly difficult to quantify. In this study, we use sub-pixel correlation of 0.5-m resolution optical satellite images to capture the detail of the 3D near-fault displacement field associated, respectively, with a 30-km long area of the 2013, Mw7.7, Baluchistan, Pakistan, rupture, and with the 2019, Mw6.4 and Mw7.1, Ridgecrest, California, earthquake ruptures. Our results reveal complex fault geometries and surface displacement patterns, raising the issues of what parameters control the distribution of the surface deformation, and what are the deformation mechanisms involved? To answer these questions, we perform a detailed analysis of the slip patterns across the ruptures. We quantify with a precision of 0.10 to 0.20 m the distribution of surface displacements along the fault systems, and we evaluate the total slip budget, including variations of on- and off-fault slip. We show that the deformation can be either very localized in a 20- to 30-m wide fault zone, or distributed over hundreds of meters to kilometers off the fault plane through off-fault cracks or continuous gradients of displacement of the order of 10-2 to 10-3. The continuous deformation gradients are referred to as diffuse deformation, and represent on average 30% of the total displacement budget along the Ridgecrest ruptures. Along the study area of the Baluchistan rupture, off-fault deformation (OFD), including both off-fault cracks and diffuse deformation, represents on average 16% of the total displacement budget. We show that this difference in OFD proportions is primarily due to differences in the fault geometry, with a larger proportion of linear and well-defined fault sections along the Baluchistan rupture. Along the Ridgecrest ruptures, the entire fault system is complex, and we highlight a segmentation of the rupture that is correlated to variations in the fault geometry, the slip pattern at depth, and the slip distribution at the surface. We discuss the role of the geological context in controlling the fault geometry, and show that, along the Baluchistan rupture, and to the exception of the few large geometrical complexities, most of the fault slip reaches the surface along simple fault sections which correlate with the location of a long-lived interface within the folded sediments forming the Makran mountain range. Conversely, the Ridgecrest ruptures occurred within an area of heterogeneous lithology and fabric, which favored a complex fault geometry and a distributed surface deformation across the fault system. We show that our observations of wide diffuse deformation zones are supported by seismic data that highlight kilometric-scale areas of diffuse aftershocks and background seismicity around faults, interpreted as wide areas of inelastic rock deformation. This has consequences for the elastic properties of the host rock, for the accumulation of interseismic strain and for the rupture dynamics. In a final step, we use the high-resolution optical displacement maps, combined with existing GNSS and InSAR data, to better constrain the kinematic fault slip models, and improve our understanding of the rupture process at depth. Knowledge about the rupture processes and fault mechanics, in addition to tectonic observations on the distribution of surface deformation, are critical for estimating the seismic cycle on a fault, and the probabilities of fault displacement and ground motions.