Sismotectonique de l'île d'Hispaniola par la géodésie spatiale

Space-based seismotectonic of Hispaniola Island

• Auteur / Autrice : Bryan Raimbault
• Direction : Romain Jolivet, Éric Calais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vigny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Jolivet, Éric Calais, Christophe Vigny, Shimon Wdowinski, Cécile Doubre, Françoise Courboulex, Marion Y. Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shimon Wdowinski, Cécile Doubre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Géodésie

Interférométrie Radar (InSAR)

Sismotectonique

Cycle sismique

Failles actives

Glissements lents

Geodesy

Radar interferometry (InSAR)

Seismotectonic

Seismic cycle

Active faults

Aseismic slip

Résumé

L'île d'Hispaniola est située à la frontière entre les plaques nord-américaine et caraïbe. La compréhension de la dynamique de cette limite de plaques, où se sont produits deux tremblements de Terre dévastateurs de magnitude > 7, est d'une importance capitale pour l'évaluation des risques sismiques dans la région des Caraïbes. Cependant, l'étude de cette limite de plaques est difficile en raison de la faible couverture spatiale du réseau géophysique. Les mesures GNSS précédentes indiquent un mouvement relatif entre la plaque nord-américaine et la plaque caraïbe de 20 mm/an. Ce mouvement implique une collision oblique qui entraîne une transpression à l'emplacement de l'île d'Hispaniola. Cette interaction conduit à un partitionnement des déformations impliquant à la fois une déformation en décrochement et en compression le long des failles de l'île d'Hispaniola. Afin d'acquérir une compréhension globale de ce système transpressif, j'étudie dans cette thèse le cycle sismique et le comportement des failles actives de l'île d'Hispaniola. J'utilise l’interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) pour extraire des séries temporelles de la déformation du sol. Tout d'abord, j'établis les premières cartes de vitesse intersismique dérivées de l'InSAR, qui sont concordantes avec les vitesses GNSS enregistrées depuis 20 ans. Les vitesses intersismiques confirment l'accumulation de contraintes sur les failles Septentrional et Enriquillo Plantain Garden. Je révèle que les interférogrammes cosismiques et les ruptures des séismes de Léogâne (Mw7.0) et de Nippes (Mw7.2) présentent des similitudes frappantes dans leur façon de rompre et dans leur façon de glisser en profondeur. Les grands tremblements de terre le long de la péninsule rompent d'abord en faille inverse puis évoluent vers des failles décrochantes en se rapprochant de la faille EPG. Curieusement, les ruptures le long de la péninsule de Tiburon n'impliquent pas la limite de plaque en décrochement, mais plutôt des failles secondaires inverses. Je démontre que la zone de faille EPG est segmentée et que les glissements de la période cosismique de la péninsule sont en accord avec la période d'accumulation des déformations intersismiques. Ensuite, je mets également en évidence des événements transitoires présentant une dépendance temporelle logarithmique dans le sillage de chaque grand tremblement de Terre (2010, 2021, 2022) sur la péninsule de Tiburon. Ces événements asismiques se produisent sur des failles secondaires qui se situent dans les blocs chevauchants des ruptures de 2010 et 2021 et correspondent à des failles identifiées dans la carte géologique. Je dévoile des jeux de failles peu communs pour ces glissements et montre qu'ils présentent un lien étroit avec la redistribution des contraintes cosismiques. En particulier, j'observe que certaines failles ont des mouvements opposés au contexte tectonique en décrochement senestre, et que ces mouvements dépendent des variations de contraintes de cisaillement appliquées. Ces failles ont un comportement en écrouissage durcissant et représentent des marqueurs passifs de déformations qui diffusent la redistribution des contraintes cosismiques. Enfin, je décris le comportement de la lacune sismique de Miragoâne, où la partie superficielle de la faille EPG glisse lentement après les tremblements de terre de Léogâne en 2010 et de Nippes en 2021. À la lumière de ces résultats, il apparaît que les déplacements de surface le long des zones de failles des limites de plaques à travers l'île d'Hispaniola présentent une grande variété de comportements spatio-temporels qui sont cohérents sur plusieurs cycles sismiques.

Hispaniola Island is located at the boundary between the North American and Caribbean plates. Understanding the dynamics of this plate boundary, where two devastating large Mw7 earthquakes occurred, is of primary importance for seismic hazard assessment. However, studying this plate boundary is challenging because of the sparse geophysical network. Previous GNSS measurements indicate a relative movement between the North American and Caribbean plates of 20 mm/yr. This motion implies a collision that results in an oblique transpression at Hispaniola Island's location. This interaction leads to strain partitioning involving both strike-slip and compressive deformation on faults over Hispaniola Island. To gain a comprehensive understanding of this transpressive system, I investigate in this thesis the seismic cycle of Hispaniola Island along active faults and characterize the behavior of these structures. I use Interferometric Synthetic Aperture Radar with multiple SAR satellites to extract time series of ground deformation. First, I derive the first InSAR-derived interseismic velocity maps using InSAR images, which show a striking similarity with the GNSS velocities recorded for 20 years. Interseismic velocities confirm the strain accumulation on both the Septentrional and the Enriquillo Plantain Garden faults. I reveal that coseismic interferograms and ruptures of the Mw7.0 Léogâne and Mw7.2 Nippes earthquakes display striking similarities in the way they ruptured and slipped at depth. Large earthquakes along the Peninsula first rupture as thrust and then evolve as strike-slip faults when getting closer to the EPG fault. Curiously, ruptures along the Tiburon do not involve the main strike-slip fault boundary but rather secondary thrust faults. I demonstrate that the EPG fault zone is segmented and that the coseismic period of the Peninsula is in agreement with the interseismic strain accumulation period. Then, I bring to light transients aseismic slip events that present a logarithmic time slip dependency in the wake of every large earthquake (2010, 2021, 2022) over the Tiburon Peninsula. These aseismic events are on secondary faults located in the hanging walls of the 2010 and 2021 events and correspond to previously geologically mapped faults. I unveil uncommon faulting types for these events and show that they present a strong link with the coseismic stress redistribution. In particular, I show that some faults have motions opposed to the ongoing left-lateral tectonic context and depend on the applied Coulomb shear stress variations. These faults have a rate-strengthening behavior and represent passive markers of deformations diffusing coseismic stress redistribution. Lastly, I depict the behavior of the Miragoâne seismic gap, where the surface of the EPG fault slips slowly after the 2010 Léogâne and 2021 Nippes earthquakes. In light of these results, it appears that surface displacements along plate boundary fault zones across Hispaniola Island display a wide spatiotemporal variety of behaviors that are consistent over multiple seismic cycles.