L'étude de la phase post-sismique du séisme de Tohoku-Oki (2011)

Study of the post-seismic phase of the Tohoku-Oki earthquake (2011)

• Auteur / Autrice : Axel Periollat
• Direction : Jérôme Weiss, Mathilde Radiguet de La Bastaie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre Solide
• Date : Soutenance le 01/03/2022
• 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)
• Jury : Président / Présidente : David Marsan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Vergnolle, Mai-Linh Doan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Mathieu Nocquet, Sylvain Barbot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inversion (géophysique)

Géodésie

Subduction

Mots clés libres

Subduction

Post-Sismique

Géodésie - GPS

Afterslip

Relaxation Viscoélastique

Inversion

Subduction

Postseismic

Geodesy - GPS

Afterslip

Viscoelastic Relaxation

Inversion

Résumé

Les mécanismes de glissement asismique (afterslip) et de relaxation viscoélastique ont tous deux étés proposés afin d’expliquer la phase post-sismique induit par les méga-séismes dans les zones de subduction. Dans le but d’améliorer la compréhension du cycle sismique il est crucial de démêler et de distinguer les signatures respectives de ces mécanismes dans la déformation mesurée en surface. La phase post-sismique précoce, qui succède immédiatement à la rupture co-sismique, est caractérisé par des taux de déformation élevés, et inclure les observations de cette phase précoce mènent à une meilleure analyse des mécanismes impliqués. Dans cette thèse, j’explore la déformation post-sismique après le méga-séisme de subduction de Mw 9.0 Tohoku-Oki (2011). Tout d’abord, je présente le traitement cinématique des données GPS réalisé pour obtenir des séries temporelles de positions toutes les 30 secondes, ainsi que le post-traitement des solutions pour corriger les effets de trajets multiples et les modes communs. Les séries temporelles finales enregistrent la déformation de la surface à partir de 10 minutes après l’initiation de la rupture, jusqu’au premier mois après le choc principal. Cela me permet d'observer les deux principales répliques de Tohoku-Oki (Mw 7.4 et Mw 7.7) qui se sont produites pendant l’heure suivant la rupture. Dans un second temps, j’analyse l'évolution du déplacement des séries temporelles et j’utilise ces observations pour localiser le glissement post-sismique par une succession d’inversion statiques. Je constate que l’évolution temporelle du déplacement au cours du premier mois après Tohoku-Oki peut être expliquée par un mécanisme d’afterslip, qui présente une décroissance de type « Omori », avec une valeur d’exposant p autour de 0,75 sur la plupart de la région étudiée, à l'exception d'une petite région autour de la préfecture d'Ibaraki où p~1 est observé. Cette valeur de p < 1 indique que les déplacements post-séismiques n'augmentent pas en logarithme du temps comme le prédit la rhéologie rate-and-state pour une interface frictionnelle. J’utilise des simulations numériques simples pour montrer qu'un exposant de p < 1 peut-être expliqué par une combinaison d'interactions élastiques et d'activation thermique résultant de l’effet cumulatif d’événements de glissements locaux activés thermiquement et par la contrainte co-sismique. Cela implique que l’afterslip précoce correspond plutôt à un mécanisme de fluage fragile transitoire. Ainsi, le comportement précoce (minutes-heures) reproduit la phénoménologie du fluage de la roche et sa correspondance au fluage transitoire (Stage I). Le comportement observé à plus grande échelle de temps (années) nécessite de combiner l'afterslip avec une relaxation viscoélastique traitée modélisée par un écoulement Newtonien avec une rhéologie dépendant de la contrainte.

Both afterslip and viscoelastic relaxation have been proposed to explain the surface deformation following earthquakes. The early stages of the postseismic phase following large earthquake is characterized by high deformation rates; and its analysis is key to decipher and distinguish the respective signatures of these different mechanisms processes within the measured surface deformation. Here, we process GPS data to obtain 30-seconds kinematic position time series recording the surface deformation following the Mw 9.0 Tohoku-Oki megathrust earthquake (2011). Then, we analyze the temporal evolution of the time series and use these observations to image the postseismic slip. We find that the time series over the first month after Tohoku-Oki can be explained by afterslip, which exhibits an “Omori-like” decay, with a p-value around 0.75 over most of the studied region with the exception of a small region around Ibaraki prefecture where p~1 is observed. This p<1 indicates that postseismic displacements do not increase logarithmically over time as predicted by rate-and-state rheology for a frictional interface. Instead, it implies that early afterslip which rather corresponds to a transient brittle creep mechanism. We use simple numerical simulations to show that an exponent of p<1 can be explained by a combination of elastic interactions and thermal activation resulting from the cumulative effect of stress- and thermally activated local/slip deformation events. Thus, the early behavior reproduces phenomenology of rock creep and its corresponding to the transient creep (Stage I). Although the behavior of the postseismic phase corresponds to a transient brittle creep, while the behavior observed at larger time scale (years) require to combine afterslip with a viscoelastic relaxation processed modeled by a Newtonian flow with a stress-dependent rheology.