Évolution de la déformation off-fault des failles décrochantes, asismiques et sismiques, par la modélisation analogique.

Off-fault deformation evolution of strike-slip faults, aseismic and seismic, by analogue modelling.

• Auteur / Autrice : Sarah Visage
• Direction : Bertrand Maillot, Pauline Souloumiac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers - Cergy
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise ; 2010-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Maillot, Pauline Souloumiac, Stéphane Dominguez, Cécile Lasserre, Léa Pousse, Yann Klinger
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Dominguez, Cécile Lasserre

Mots clés

Mots clés libres

Déformation de surface

Faille décrochante

Modélisation analogique

Corrélation d'Image Optique

Glissement saccadé

Séisme

Surface deformation

Strike-Slip fault

Analog modeling

Optical Image Correlation

Stick-Slip behaviour

Earthquake

Résumé

Lors d'un grand séisme décrochant, le déplacement engendré à la surface est distribué entre une déformation sur et en dehors de la faille (déformation on- et off-fault). Pour quantifier cette distribution, le déplacement de la surface est mesuré par corrélation d'images satellites acquises avant et après l'évènement. Cependant, les mesures de terrain sont limitées à quelques évènements récents qui ont pu être enregistrés par des satellites. La modélisation analogique permet d'étudier la déformation à long terme des failles décrochantes. Mais, les modèles analogiques actuels ne répondent pas entièrement au problème, à savoir : comment la déformation off-fault évolue au cours du développement de la faille ? qu'est-ce qui contrôle la répartition de cette déformation et quel est l'impact des séismes sur cette répartition ?Pour répondre à ces questions, nous avons réalisé une étude de l'évolution de la déformation off-fault (OFD) au cours de l'histoire de la faille décrochante en laboratoire. Un premier groupe de modèles analogiques composés d'une couche de sable unique a été réalisé et nous a permis de documenter l'évolution de l'OFD pour des failles décrochantes asismiques. Ces modèles nous ont montré que la quantité d'OFD varie de 100% au stade de l'initiation de la faille décrochante jusqu'à 20-30%, puis reste stable jusqu'à la fin de l'expérience. Nous expliquons cette stabilité par l'évolution de la géométrie de la faille décrochante. En effet, nous confirmons que la quantité d'OFD est plus importante dans les zones de la faille structurellement complexes, notamment les zones de relais. Nos expériences montrent que l'emplacement de ces zones de relais est conditionné par l'emplacement des Riedels à l'initiation de la faille décrochante. Et, au cours de l'évolution de la faille, les zones relais sont consécutivement actives, abandonnées, translatées passivement, et finalement réactivées. Nos modèles montrent qu'au-delà̀ d'une certaine longueur, les brins de faille se séparent en deux sur d'anciennes complexités (Riedels ou zones relais abandonnées) pour retrouver une longueur inférieure. Nos résultats suggèrent donc que les failles décrochantes n'atteindront jamais une géométrie continue et linéaire même si elles sont linéaires en profondeur. Cela explique pourquoi la proportion d'OFD reste stable après la stabilisation de sa structure. Une comparaison avec des exemples de terrains nous montre que les proportions d'OFD obtenues avec nos modèles sont équivalentes.Nous avons ensuite réalisé un deuxième groupe de modèles expérimentaux de failles décrochantes multicouches qui reproduisent les déformations associées aux failles décrochantes sismiques. Deux configurations ont été analysées. La première est composée d'une couche basale de poudre de caoutchouc permettant d'obtenir un chargement élastique et d'une couche de riz cassé deux fois ayant un comportement saccadé. Cette configuration permet d'obtenir l'évolution d'une faille auto-formée (sans pré-découpage), avec une alternance de périodes inter-sismiques où la faille est partiellement bloquée et d'évènements sismiques. Dans une deuxième configuration, nous avons ajouté une couche supérieure de sable, pour analyser la géométrie de la faille et sa déformation off-fault co-sismique. Les résultats de ce modèle nous montrent que la quantité d'OFD varie de 90 à 60% au début de l'histoire de la faille décrochante à une valeur minimum entre 15-30% lorsque la faille atteint une structure composée d'alternance de segments et de zones de relais, puis augmente progressivement jusqu'à une valeur qui semble se stabiliser entre 20 et 40%. Au total, nos modèles permettent de reproduire plusieurs centaines de cycles sismiques. Nos données sont similaires aux résultats de déformation off-fault des expériences de failles décrochantes asismiques ainsi qu'aux données de terrain pour différents séismes à différents déplacements cumulés.

During a large strike-slip earthquake, the displacement generated at the surface is dis- tributed between on- and off-fault deformation. To quantify this distribution, surface dis- placement is measured by correlation of satellite images taken before and after the event. However, field measurements are limited to a few recent events recorded by satellites. Analogue modelling can be used to study the long-term deformation of strike-slip faults. However, current analogue models do not fully address how off-fault deformation evolves during fault evolution, what controls the distribution of this deformation, and how does seismicity affect this distribution?To answer these questions, we carried out a laboratory study of the evolution of the off- fault deformation (OFD) during the history of strike-slip faults. A first group of analogue models consisting of a single layer of sand allowed us to document the evolution of OFD for aseismic strike-slip faults. These models showed us that the amount of OFD varies from 100% at the onset of the strike-slip fault to 20-30% and then remains stable until the end of the experiment. We explain this stability by the evolution of the strike-slip fault geometry. Indeed, we confirm that the amount of OFD is higher in the structurally complex zones of the fault, especially in the relay zones. Our experiments show that the location of these relay zones is conditioned by the location of the Riedels at the onset of the strike-slip fault. During the evolution of the fault, the relay zones are successively active, abandoned, passively translated and finally reactivated. Our models show that after a certain length, the fault strands split in two over old complexities (Riedels or abandoned relay zones) to regain a shorter length. Therefore, our results suggest that strike-slip faults never reach a continuous and linear geometry, even if they are linear at depth. This explains why the ratio of OFD remains stable after structural stabilisation. A comparison with field examples shows that the OFD proportions of natural and analogue strike-slip faults are similar.A second group of experimental multi-layered strike-slip fault models were then built to reproduce the deformations associated with strike-slip faults generating earthquakes and seismic cycles. Two configurations have been analysed. The first one is composed of a basal layer of rubber powder to obtain an elastic loading and a layer of twice broken rice with a stick-slip behaviour. This configuration allows the evolution of a self-formed fault (without pre-cutting), with alternating inter-seismic periods of partial fault locking and seismic events. A second configuration, with the addition of an upper layer of sand, al- lowed us to analyse the geometry of the fault and its off-fault co-seismic deformation. The results of this model show that the amount of OFD varies from 90-60% at the beginning of the strike-slip fault history, to a minimum value of 15-30% when the fault reaches a structure composed of alternating segments and relay zones, and then increases progressively to a value that seems to stabilize itself between 20 and 40%. In total, our models are able to reproduce several hundred seismic cycles. Our data are similar to the off-fault deformation results found with the aseismic strike-slip fault experiments and to field data for different earthquakes at different cumulative displacements.