Tectonique active de l'Equateur observée par séries temporelles InSAR multi-capteurs

Active tectonics of Ecuador through multi-sensor InSAR time-series analysis

• Auteur / Autrice : Léo Marconato
• Direction : Laurence Audin, Marie-Pierre Doin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 05/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l’Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre
• Jury : Président / Présidente : Erwan Pathier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Audin, Olivier Cavalie, Marie-Pierre Doin, Cécile Doubre, Martin Vallee, Nicolas D'oreye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Cavalie, Cécile Doubre

Mots clés

Mots clés libres

InSAR

Equateur

Néotectonique

Séisme

Andes

Géodésie

InSAR

Ecuador

Neotectonics

Earthquake

Andes

Geodesy

Résumé

Dans les Andes du Nord, la subduction oblique de la plaque Nazca sous la plaque Sud-Américaine provoque l'échappement vers le nord-est d'un bloc continental appelé Sliver Nord-Andin. L'Équateur est situé à l'extrémité sud de ce bloc, dont la frontière occidentale traverse les Andes, allant de la faille de Puna dans le golfe de Guayaquil aux failles de Cosanga et Chingual à l'est de la Cordillère. Cette zone de transition est décrite comme un important restraining bend, accommodant des mouvements dextres et compressifs. Plusieurs séismes historiques crustaux de magnitude 7+ se sont produits dans cette région, sans que leurs failles sources ne soient toujours identifiées. La description de la déformation intersismique s'est récemment améliorée grâce à la densification des mesures GNSS, menant à un premier modèle de bloc élastique. Cependant, le réseau GNSS reste insuffisant pour mesurer la variabilité des taux de déformation à petite échelle. Pour améliorer la résolution spatiale des mesures géodésiques, j'ai utilisé des séries temporelles InSAR calculées à partir des données des satellites ALOS-1, ALOS-2 et Sentinel-1. Dans la première partie de ce manuscrit, j'étudie le bruit ionosphérique qui limite la qualité de l'InSAR en bande L dans les régions équatoriales. Je décris également mon implémentation de l'approche split-spectrum pour les données ALOS-1, et je montre que ce traitement améliore considérablement les séries temporelles, bien que la précision (~6 mm/an) obtenue ne permette pas de mesurer les faibles taux de déformation intersismique attendus (3-4 mm/an). Dans une deuxième partie, j'utilise les données ALOS-2 ScanSAR pour calculer une carte de vitesse couvrant la Cordillère et le domaine Sub-Andin. La carte de vitesse obtenue, avec une précision de ~4 mm/an, révèle de potentielles déformations tectoniques malgré des biais significatifs liés au type de couverture du sol. Dans une troisième partie, j'exploite 6 à 8 ans de données Sentinel-1 pour calculer les séries temporelles de 3 fauchées couvrant les Cordillères d'Équateur et du sud de la Colombie. En utilisant des données GNSS interpolées, je corrige les cartes de vitesse résultantes de la déformation transitoire post-sismique causée par le séisme de subduction de Pedernales (2016, Mw7.8). Les données corrigées, avec une précision d'environ 2 mm/an, sont en bon accord avec la déformation prédite par le modèle de bloc élastique, et favorisent l'hypothèse d'un micro-bloc Quito-Latacunga au sein du restraining bend. Des taux de déformation élevés (>300 nstrain/an) sont identifiés dans les régions d'Ibarra et de Peltetec. Ces résultats mettent également en évidence des signaux tectoniques transitoires, en particulier le long de la faille de Quito, où une diminution significative du taux de glissement lent est observée après le tremblement de terre de Pedernales. Globalement, la carte de taux de déformation à haute résolution dérivée des résultats Sentinel-1 fournit une vision plus complète de la localisation de la déformation interne au sein du North Andean Sliver. La dernière partie s'intéresse aux interactions entre les déformations volcaniques et tectoniques dans la région de Chiles-Cerro Negro, près de la frontière Équateur-Colombie. Je calcule des cartes de déplacement InSAR pour un séisme de Mw5.6 en 2022 ayant eu lieu près du complexe volcanique. Les séries temporelles Sentinel-1 présentées précédemment, en complément de données GNSS, permettent l'étude des variations spatio-temporelles de la déformation volcanique ayant probablement conduit à ce séisme. Un dernier apport de ce travail est la comparaison de trois types de données InSAR sur la même zone. Il s'avère que dans les zones présentant une cohérence au moins moyenne les données Sentinel-1 permettent d'obtenir des séries temporelles plus précises qu'en utilisant des données en bande L (ALOS-1/2). Ces dernières semblent en effet plus sensibles aux biais corrélés au type de couverture du sol.

In the Northern Andes, the oblique subduction of the Nazca plate beneath the South American plate causes the northeastward escape of a continental block known as the North Andean Sliver. In Ecuador, in the southernmost part of this sliver, its western boundary crosses the Andes, from the Puna fault in the Gulf of Guayaquil to the Cosanga and Chingual faults on the eastern flank of the Cordillera. This transition is seen as a significant restraining bend, accommodating both right-lateral and compressive motions. Historically, several M7+ crustal historical earthquakes have occurred in this area, but their source faults are not always identified. The understanding of interseismic strain localization was recently improved thanks to more and more GNSS measurements, leading to a first elastic block model. However, the GNSS network remains too sparse to measure small variations of strain. To enhance the spatial resolution of geodetic ground motion measurements, I apply InSAR time-series analysis with data from ALOS-1, ALOS-2, and Sentinel-1 satellites. In the first part of this thesis, I study the ionospheric noise limiting the quality of L-band InSAR in equatorial regions, and describe my implementation of the split-spectrum approach for ALOS-1 in the NSBAS processing chain. I show that this correction greatly improves the robustness of the time-series, although the resulting accuracy (~6 mm/yr) cannot retrieve the subtle interseismic deformation rates expected in the study area (3-4 mm/yr). In the second part, I use ALOS-2 ScanSAR data, featuring a shorter revisit time, to create a velocity map covering both the Cordilleras and the Subandean domain. This result required optimizing the processing for low-coherence areas and addressing issues inherent to the ScanSAR acquisition mode. The obtained accuracy is good (~4 mm/yr), but velocities are mainly correlated to land cover, likely due to fading signals. Nevertheless, the time-series reveals the coseismic displacement of an intermediate-depth earthquake in 2019 and a slight uplift signal in the Subandean belt, possibly tectonic. In the third part, I use 6-8 years of Sentinel-1 data to compute time-series for three tracks in both ascending and descending geometries, covering the Cordilleras of Ecuador and southern Colombia. Using interpolated GNSS data, I correct the velocity maps for the post-seismic transient deformation caused by the 2016 Mw7.8 Pedernales earthquake. The corrected data, with a ~2 mm/yr accuracy, correlates well with the elastic block model predictions, supporting the hypothesis of a Quito-Latacunga micro-block within the restraining bend. High strain rates (>300 nstrain/yr) are identified around this micro-block in the Ibarra and Peltetec regions, along previously undescribed structures. The results also highlight transient fault behaviors, particularly along the Quito fault, where a significant decrease in the creep rate is observed after the Pedernales earthquake. Overall, the obtained high-resolution strain rate map provides a clearer picture of internal deformation within the North Andean Sliver. In the final part, I focus on the Chiles-Cerro Negro area near the Ecuador-Colombia border to investigate interactions between volcanic and tectonic deformation. I derive InSAR displacement maps for a Mw5.6 earthquake that occurred in 2022 near the volcanic complex. Additionally, I use the Sentinel-1 time-series and GNSS data to depict spatio-temporal variations in volcanic deformation patterns that likely led to this earthquake. A last benefit of this work is the comparison of three types of InSAR data over the same region. In areas with at least medium coherence, the higher frequency and number of Sentinel-1 acquisitions appear to counterbalance the higher decorrelation due to C-band, thus leading to more accurate time-series than using L-band data (ALOS-1/2). I also suggest the possibility of stronger fading signals in the time-series computed from L-band data.