Seismic supercycles in the Ryukyus subduction zone : insights from marine terraces and coral microatolls

by Sophie Debaecker

Doctoral thesis in Sciences de la terre et de l'environnement

Under the supervision of Nathalie Feuillet and Kenji Satake.

defended on 18-06-2021

in Université Paris Cité , under the authority of École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....) , in a partnership with UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....) (laboratoire) .

Thesis committee President: Yves Gaudemer.

Thesis committee members: Marianne Saillard.

Examiners: Belle Philibosian, Frederick W Taylor.

keywords

• Subduction
• Deformation
• Segmentation
• Seismic supercycle
• Coupling
• Seismic potential

Abstract

Those past decades, the occurrence of major megathrust earthquakes highlighted the need to improve our knowledge of the behavior and seismogenic potential of subduction zones. Seismic hazard is related to seismic coupling and structural features of the subduction zone, which are poorly documented in most of subduction zones. Located between Japan main island and Taiwan, the Ryukyus island arc follows the Ryukyus trench, where the Philippines Sea plate subducts below the Eurasian plate at a rate of 8 cm/yr. Seismic coupling has been questioned, since the subduction zone present similarities with subduction zone where large Mw9-class megathrust earthquakes occurred, and since recent GPS and seismic data rather correspond to that of an aseismic convergence. The Ryukyus allows for an unprecented study of the vertical deformation of the overriding plate at long and short-term time scales since they present marine terraces and coral microatolls, respectively. IThrough this multi time-scale study, we aim to improve our knowledge on the Ryukyus subduction zone, using long-term marine terraces and coral microatolls at short-term. Marine terraces result from the interplay between vertical tectonic motion and sea-level variations over the past few hundreds of thousand years. Using digital surface model computed from very high-resolution Pleiades satellite images over 13 islands, we documented up to 13 terraces between central and southern Ryukyus. We correlated their formation with MiS 3 to 21, and estimated Pleistocene uplift rates between 0.13±0.05 et 1.62±0.64 m/ka that we constrained with reef growth modelling. Spatial distribution of those uplift along the arc revealed the along-arc segmentation, that we related to curvature of the arc, as well as subduction of bathymetric reliefs. Over several decades to several millenia, we documented vertical deformation of the arc using coral microatolls. We sampled and analyzed up to 12 microatolls in the southern Ryukyus, including 4 fossil ones. We reconstructed the relative sea-level history that result from combination of vertical tectonic motion and climatic sea-level variations over 5ka. Over a long time-scale, the analysis of two fossil corals sites would rather describe a subsidence motion. Combining the study fossil microatolls sampling sites and slices permitted to evidence up to 19 past earthquakes, inlcuding at least two that may be related to past tsunamis previously documented in the islands geology. Correlating those earthquakes with motions on the interplate thanks to elastic modelling led us to infer seismic supercycles along the Ryukyus islands over the last 5ka. Those supercycles would last several centuries and would be defined by recurrence time for subduction eathquakes of several decades to few centuries. Although the tectonic motion documented at the millenia scale with fossil microatolls may represent that of the southern Ryukyus islands, it is not constant and show variations in the stress accumulation and in the coupling of the plate interface with time. Those past two centuries, modern microatolls recorded uplift motions of up to 3 mm/yr. Variability in the uplift motion highlights differences between islands, linked with differences in structure and coupling of the plate interface. Those motions have also been observed at shorter time scale through GPS data or in the records of fossil microatolls. Processes promoting such variations are discussed together with features of the subduction zone, such as the seismogenic segments size in the megathrust. Our multi time-sclae study of the Ryukyus subduction zone helped improve the seismic hazard previously estimated with GPS data over very short-term, since it documents the relationship between long-term structures of the plate interface, its tectonic behavior at the mid- term time scale, and its seismic potential at short-term.

keywords

• Segmentation
• Supercycle sismique
• Couplage sismique
• Potentiel sismique
• Subduction -- Ryūkyū (Japon ; îles)
• Séismes -- Périodicité -- Ryūkyū (Japon ; îles)
• Séismes -- Prévision -- Ryūkyū (Japon ; îles)
• Tectonique -- Ryūkyū (Japon ; îles)

Alternative Title

Etude des supercycles sismiques de la zone de subduction des Ryukyus : apport des terrasses récifales et des microatolls coralliens

Abstract

Ces dernières années, l'occurrence des séismes majeurs de subduction a souligné la nécessité d'approfondir nos connaissances des zones de subduction et de leur potentiel sismogénique. L'aléa sismique est lié au couplage sismique, ainsi qu'aux caractéristiques structurales de la zone de subduction qui sont finalement peu contraints dans la majorité des zones de subduction. Situé entre le Japon et Taiwan, l'arc insulaire des Ryukyus qui longe la fosse de subduction, ou la plaque Philippines plonge en dessous de la plaque Eurasienne avec une vitesse de 8 cm/an. Le couplage sismique des Ryukyus est incertain, car si la zone présente des points communs avec des zones de subduction ayant hébergé des séismes majeurs, les données de GPS et de sismicité décrivent une convergence asismique. Les Ryukyus sont une zone d'étude remarquable car elle contient des terrasses marines et les microatolls coralliens, témoignant des déformations verticales de la plaque à long et court-terme respectivement. Ici, nous proposons d'améliorer notre compréhension de cette zone, par une approche multi temporelle. Les terrasses marines se forment par interaction entre mouvement tectonique vertical et variations eustatiques sur plusieurs centaines de milliers d'années. Grâce aux modèles numériques de surface issus des images satellite Pléiades très haute résolution obtenus sur 13 îles, nous avons identifié 13 terrasses marines dans la morphologie côtière des Ryukyus centrales et du sud. Nous avons corrélé ces terrasses avec les variations de niveau de la mer, permettant d'estimer un âge et une surrection que nous avons confirmés par la modélisation en deux dimensions de la croissance récifale des îles. Les terrasses marines, datées entre les stades isotopiques marins 3 et 21, se sont soulevées à des vitesses entre 0.13±0.05 et 1.62±0.64 m/ka au cours du Pléistocène supérieur. Les variations spatiales de ces surrections à l'échelle de l'arc témoignent d'une segmentation de l'arc à long-terme, qui serait liée à la courbure de l'arc mais également à la subduction de reliefs bathymétriques. A l'échelle décennale, voire millénaire, nous avons également étudié les déformations verticales des îles à l'aide des microatolls coralliens. Nous avons échantillonné et analysé 12 coraux dans les Ryukyus du sud dont 4 fossiles. Nous avons reconstruit les variations relatives du niveau marin issues de mouvements tectoniques et de variations du niveau marin d'origine climatique jusqu'à -3000 ans. A long-terme, l'analyse de sites de coraux fossiles indiquerait un enfoncement. Nous avons pu mettre en évidence plusieurs séismes passés, dont deux pouvant être associés à des tsunamis. La corrélation de ces séismes avec les mouvements de l'interface de subduction nous mène à estimer un cycle sismique des Ryukyus du sud sur les derniers millénaires, qui serait en réalité composé de plusieurs supercycles sismiques. Ces supercycles sont définis par des séismes ayant une récurrence allant de quelques décennies à quelques siècles. Le mouvement tectonique millénaire enregistré par les microatolls n'est pas linéaire au cours du temps. Ces 200 dernières années, les microatolls ont enregistré une surrection jusqu'à 3 mm/an, variable le long des Ryukyus du Sud et également observée à plus court-terme par le GPS ou dans les microatolls fossiles. Cette variabilité entre les îles et dans le temps indique des différences de couplage et de structure de l'interface de subduction. L'origine de ces variations est discutée au regard des caractéristiques de la subduction. Cette approche multi-temporelle de la zone de subduction des Ryukyus permet donc de mieux caractériser l'aléa sismique estimé au préalable par le GPS pour le très court-terme, puisqu'elle établit le lien entre structures déterminées à long-terme, comportement tectonique à moyen-terme, et potentiel sismique à court-terme.