Essaims sismiques : comparaison des séismes naturels et induits

Seismic swarms : comparing natural and induced earthquakes

• Auteur / Autrice : Riccardo Minetto
• Direction : Philippe Guéguen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 20/04/2023
• 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 : Stéphane Garambois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clara Duverger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Louis De Barros, Jean Schmittbuhl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Séismes provoqués

Mots clés libres

Essaims sismiques

Évolution de la sismicité

Sismicité naturelle

Sismicité induite

Comparaison

Seismic swarms

Evolution of seismicity

Natural seismicity

Induced seismicity

Comparison

Résumé

Une séquence sismique est un ensemble de tremblements de terre qui se produisent avec une grande proximité spatiale et temporelle. Un essaim de séisme est un type de séquence sismique caractérisé par des tremblements de terre dont la localisation change au cours du temps et qui n’est pas dominé par un seul grand tremblement de terre.Dans cette thèse, j'étudie l'évolution spatio-temporelle d'essaims sismiques naturels et induits dans le but d'identifier les processus physiques qui les produisent et de caractériser les propriétés des systèmes de failles activés. Plus spécifiquement, je me concentre sur trois aspects clés de l'activité sismique : l'évolution temporelle du taux de sismicité, la localisation des séismes et la distribution des magnitudes. L'étude se concentre sur deux essaims sismiques. Le premier, d'origine naturelle, s'est produit dans la vallée de la Maurienne (Alpes françaises) entre 2017 et 2019, tandis que le second a été induit par des opérations de fracturation hydraulique à Preston New Road, au Royaume-Uni, en 2019. Pour assurer une analyse à haute résolution de ces séquences, j'ai d'abord créé des catalogues améliorés qui intègrent de nombreux événements nouvellement détectés ainsi que des magnitudes et des localisations plus précises.La migration des séismes pendant l'essaim de Maurienne suggère que cette séquence a pu être activée par une combinaison de multiples diffusions de fluides à haute pression et d'interactions entre séismes. De plus, la proportion de petits et grands événements (paramètre b de la loi de Gutenberg-Richter) varie dans l'espace, et ce changement peut être lié à la dimension des failles actives.En plus de l'étude de l'activité sismique, j'ai appliqué l'interférométrie du bruit sismique ambiant pour évaluer si les changements de contraintes pendant l'essaim ont créé des variations détectables de la vitesse des ondes sismiques. Les changements de vitesse semblent être principalement influencés par un processus saisonnier probablement lié aux variations de pression interstitielle dues aux précipitations. Cependant, pendant la période principale d'activité sismique, ces changements ont pu être amplifiées par les secousses du sol résultant de l'occurrence prolongée de séismes.La séquence de Preston New Road est caractérisée par un taux de sismicité et une distribution des magnitudes qui évoluent progressivement au fur et à mesure que les fluides sont injectés de manière répétée et que le volume de la zone sismogénique grandit. Ceci suggère que l'activité sismique au cours d'une phase d'injection dépend de l'historique des phases précédentes.Les séquences de Maurienne et de Preston New Road ne sont que deux exemples du phénomène plus large des essaims sismiques et induits. Néanmoins, ces deux séquences illustrent le fait que les essaims induits et naturels peuvent présenter des propriétés similaires dans leur évolution spatio-temporelle, comme la migration des séismes et la dépendance de la valeur de b à l'échelle du système de failles. Cela souligne la possibilité d'appliquer les connaissances acquises lors de l'étude d'un type d'essaim pour améliorer notre compréhension de l'autre.

A seismic sequence is a cluster of earthquakes that occur in close spatial and temporal proximity. One type of seismic sequence is a seismic swarm, which is typically characterized by earthquakes whose location changes over time and by the absence of a single, dominant, large earthquake.In this thesis, I investigate the spatio-temporal evolution of natural and induced seismic swarms with the aim of identifying the physical processes that drive them and characterizing the properties of the activated fault systems. More specifically, I focus on three key aspects of the seismic activity: temporal evolution of the seismicity rate, earthquake location and frequency-magnitude distribution. The study focuses on two seismic swarms. The first one, of natural origin, occurred in the Maurienne valley (French Alps) between 2017 and 2019, while the second one was induced by hydraulic fracturing operations at Preston New Road, UK, in 2019. To ensure a high-resolution analysis of these sequences, I first created improved catalogs, which incorporate newly detected events and more accurate magnitudes and hypocenter locations.The migration of earthquakes during the Maurienne swarm suggests that this sequence may have been triggered by a combination of multiple pulses of high-pressure fluids and earthquake-to-earthquake interactions. Additionally, the proportion of small and large events (i.e., the b-value of the Gutenberg-Richter law) varies in space, and this change may be linked to the size of the active fault systems.In addition to the study of the seismic activity, I applied ambient noise interferometry to assess if stress changes during the Maurienne swarm produced detectable variations in seismic wave velocity. The velocity changes appear to be primarily influenced by a seasonal process possibly related to pore pressure variations due to rainfall. However, during the main period of seismic activity, such changes may also be accentuated by the continuous ground shaking resulting from the prolonged occurrence of earthquakes.The Preston New Road sequence is characterized by a seismicity rate and a frequency-magnitude distribution that gradually evolve as fluids are repeatedly injected and the seismogenic volume expands in size. This suggests that the seismic activity during an injection stage depends on the injection history of past stages.The Maurienne and Preston New Road sequences are just two examples of the broader phenomenon of seismic and induced swarms. Nonetheless, these two sequences illustrate that induced and natural swarms can exhibit similar patterns in their spatio-temporal evolution, such as earthquake migration and the dependence of the b-value on the scale of the fault system. This emphasizes the potential of applying the knowledge gained from studying one type of swarm to improve our understanding of the other.