La Complexité des Glissements Asismiques sur la Subduction Japonaise, Etudiée en Combinant Géodésie et Sismologie

Exploring Aseismic Slip Complexity on the Japanese Subduction by Combining Geodesy and Seismology

• Auteur / Autrice : Lou Marill
• Direction : David Marsan, Anne Socquet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• 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
• Jury : Président / Présidente : Nikolai Shapiro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Marsan, Anne Socquet, Marianne MéTOIS, Roland BüRGMANN, Stéphane Mazzotti, Zacharie Duputel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Mazzotti, Zacharie Duputel

Mots clés

Mots clés libres

Subduction Japonaise

Sismologie

Géodésie

Seismology

Geodesy

Japanese Subduction

Résumé

L'étude de la phase inter-sismique du cycle sismique a pris de l'ampleur avec la découverte de glissements transitoires, alors qu'il était très souvent admis que le taux de glissement est constant au cours du temps. Des glissements lents (SSEs) de quelques jours à quelques mois ont tout d'abord été détectés et étudiés dans différentes zones de subduction du monde. Avec l'amélioration des jeux de données et le développement de nouvelles méthodes de détection, des glissements transitoires plus longs (jusqu'à 15 ans) et/ou avec une plus petite amplitude (de l'ordre du bruit dans les données) ont été observés. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de ces glissements transitoires atypiques (de durée très longue et/ou de petite amplitude) à partir de données GNSS, sur les subductions japonaises le long des fosses du Japon et de Sagami. Tout d'abord, j'ai participé au traitement des données GNSS allant de 1995 à 2020, à partir de deux méthodes différentes : en doubles différences avec le logiciel GAMIT/GLOBK, et en PPP (Precise Point Positionning en anglais) avec le logiciel GipsyX. Les séries temporelles issues de ces traitements ont ensuite été comparées entre elles et avec les solutions déjà existantes : la solution GEONET F3 et celle du NGL (à partir de 2009). J'ai remarqué (1) que toutes les solutions présentent une diminution du bruit à partir de 2003, (2) que nos deux solutions sont cohérentes entre elles, (3) que la solution F3 est plus bruitée que nos solutions, et (4) que notre solution GipsyX est très proche de la solution NGL. La première analyse de ces séries temporelles visait à étudier l'accélération long-terme du glissement sur l'interface de subduction observée sur 15 ans avant le séisme de Mw9.0 de Tohoku en 2011. À partir des solutions GAMIT/GLOBK de 1997 à 2011, j'ai retrouvé une accélération dans les déplacements en surface qui se traduit par une accélération du glissement entre 1 et1.5 mm/an2 de la plaque Pacifique, en dessous de la zone de rupture du séisme de Tohoku en 2011. Cette accélération correspond à un changement de couplage estimé d'environ −0.2 sur 14 ans. En plus de cette observation, j'ai identifié une nouvelle zone d'accélération du glissement de la plaque Pacifique, au large de la péninsule de Boso, qui n'est liée à aucun séisme majeur. J'ai aussi montré que l'accélération de la sismicité de fond est proportionnelle à l'accélération du glissement, au premier ordre. La seconde analyse des séries temporelles visait à explorer l'autre côté du spectre : les SSEs court-termes et de petites amplitudes. Pour cela, j'ai adapté une méthode de détection existante, basée sur la forme temporelle et spatiale des SSEs permettant d'extraire les évènements de petite amplitude cachés dans le bruit. J'ai testé cette méthode sur des séries temporelles synthétiques pour déterminer ses limites. Ces tests m'ont permis de déterminer les seuils de détection et aussi les Mw limites des SSEs ainsi détectables. Cette Mw limite varie entre 5.0 et 7.0 en fonction de la profondeur de la zone étudiée sur la plaque et de la proximité des stations GNSS. Les tests synthétiques m'ont également permis de trouver que la probabilité de détecter un SSE avec une magnitude donnée suit une loi de probabilité normalement distribuée, comme cela a été proposé pour la détection de séismes par des stations sismiques. Cette méthode de détection permet également de caractériser (durée, Mw) les détections obtenues. J'ai ensuite appliqué cette méthode aux données réelles et trouvé 236 SSEs probables réparties sur les plaques Pacifique et Philippine avec des Mw entre 5.4 et 7.7. Le couplage inter-sismique et le séisme de Mw9.0 de Tohoku en 2011 nous permettent de mieux comprendre l'évolution spatiale et temporelle de ces détections.

The number of studies regarding the inter-seismic phase of the seismic cycle increased with the discovery of transient slips, whereas the slip rate was often assumed to be constant over time. Slow Slip Events (SSEs) with duration of days to months were first detected and studied in different subduction zones worldwide. The improvement of datasets and the development of new detection methods allowed observations of transient slips longer (with a duration of up to 15 years) and/or with a smaller amplitude (of the order of the data noise). This thesis is part of the study of these atypical transients (with very long duration and/or small amplitude) from GNSS data, on the Japanese subductions along the Japan Trench and the Sagami Trough. First, I participated in the processing of GNSS data going from 1995 to 2020, using two different methods: the double differences with the GAMIT/GLOBK software, and the Precise Point Positioning (PPP) with the GipsyX software. The time series resulting from these processes were then compared with each other and with existing solutions: the GEONET F3 solution and the NGL solution (from 2009). We noticed (1) that all solutions show a decrease in noise from 2003 onwards, (2) that our two solutions are consistent with each other, (3) that the F3 solution has a higher level of noise than our solutions, and (4) that our GipsyX solution is very close to the NGL solution (which also uses GipsyX). The first analysis of these time series aimed to study the long-term slip acceleration on the subduction interface observed over 14 years before the 2011 Mw9.0 Tohoku earthquake. From GAMIT/GLOBK solutions between 1997 and 2011, I found an acceleration in surface displacements that translates into a slip acceleration between 1 and 1.5 mm/yr2 of the Pacific plate, below the 2011 Tohoku earthquake rupture zone. This acceleration corresponds to an estimated coupling change of the order of −0.2 over 14 years. In addition to this observation, I have identified a new area of slip acceleration on the Pacific plate, off the Boso Peninsula, that is not related to any great earthquake. I also showed that the acceleration of the background seismicity is proportional to the slip acceleration, at the first order. The second time series analysis aimed to explore the other side of the spectrum: short-term and small amplitude SSEs. For this purpose, I adapted an existing detection method, based on the temporal and spatial shape of the SSEs, to extract the small amplitude events hidden in the noise. I tested this method on synthetic time series datasets to determine its limitations. Those tests allowed me to determine the detection thresholds adapted to the real data and the limiting Mw of the SSEs now detectable. This limit Mw varies between 5.0 and 7.0 depending on the depth of the studied area on the plate and the proximity of the GNSS stations. Synthetic tests also allowed us to find that the probability of detecting a SSE with a given Mw, with respect to the detection limit Mw, follows a normally distributed probability law, as has been inferred for earthquake detection by seismic stations. This detection method also allows to characterize (duration, Mw) the obtained detections. I then applied this method to real data, and I find 236 probable SSEs distributed over the Pacific and the Philippine Sea plates with Mw between 5.4 and 7.7. Then inter-seismic coupling and the 2011 Mw9.0 Tohoku earthquake allow a better understanding of the spatial and temporal evolution of these detections.