Modulation périodique de la micro-sismicité : du laboratoire au cas naturel

Micro-seismicity periodic modulation : from the laboratory to the field

• Auteur / Autrice : Martin Colledge
• Direction : Alexandre Schubnel, Laurent Bollinger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/12/2024
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : LRC Yves Rocard - ENS/CEA
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure
• Jury : Président / Présidente : Pascal Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Schubnel, Marie Violay, Olivier Lengliné, Laurent Bollinger, Céline Beauval, Kristel Chanard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Violay, Olivier Lengliné

Mots clés

Mots clés libres

Forçage Périodique

Mécanique des Roches Expérimentale

Déclenchement des Séismes

Micro-sismicité

Periodic Forcing

Experimental Rock Mechanics

Earthquake Nucleation

Micro-seismicity

Résumé

Des oscillations de contraintes, aux périodes allant de la fraction de seconde à celle des grands cycles climatiques, ébranlent constamment la Terre. Cependant, leur effet sur les failles, notamment sur la nucléation et la croissance des séismes, reste mal compris. Des études récentes suggèrent, par exemple, que les failles proches de la rupture seraient plus sensibles aux forçages périodiques. Cette thèse vise à étudier la réponse des failles à ces contraintes transitoires, au laboratoire et dans la nature pour explorer les propriétés fondamentales de la nucléation et de la propagation des séismes à différentes échelles. Nous concevons une faille synthétique réaliste capable de générer de grands catalogues de microsismicité de fond en laboratoire sans être sujet à des ruptures macroscopiques. Nous menons des expériences de cisaillement de gouge à pression crustale dans un appareil triaxial, appliquant des chargements constants et des pressions oscillantes. En capturant les émissions acoustiques dans un milieu macroscopiquement non-sismogéniques dans une gamme d'amplitudes, de périodes et de taux de chargement, nous étudions leur réponse à ces oscillations. Nous constatons une variation linéaire du taux de sismicité avec l'amplitude de la contrainte, compatible avec le régime haute-fréquence du modèle rate-and-state. Nous observons ponctuellement un déphasage cohérent avec une transition vers un régime basse-fréquence susceptible au taux de contrainte. Ces observations sont en accord avec les travaux numériques suggérant que la réponse de failles finie, intégrées dans une matrice qui creep, suit les mêmes régimes que ceux prévus par les modèles rate-and-state. En outre, nous observons une sensibilité significative de la valeur b aux oscillations de contrainte, bien plus forte que celle admise pour les contraintes différentielles statiques. Pour complémenter nos résultats expérimentaux, nous étudions la sismicité dans l'est et le centre du Népal, où une modulation annuelle de la sismicité avait été signalé, et explorons les variations de valeur b. Nous ne trouvons pas de variation statistiquement significative du taux de sismicité, remettant en question l'hypothèse selon laquelle le temps de nucléation de la sismicité y est inférieur à un an et que la contrainte normale effective est proche de zéro. Cependant, nous observons une modulation saisonnière statistiquement significative de la valeur b. Nous déterminons les perturbations de contrainte générées par le chargement hydrologique annuel, mesuré par gravimétrie satellitaire. Ce faisant, nous démontrons que la valeur b élevée observée lors du pic de la mousson est synchrone avec le taux de chargement hydrologique le plus élevé, qui induit une réduction transitoire de la contrainte de Coulomb à travers le Main Himalayan Thrust. Enfin, nous étudions les variations annuelles de la valeur b à travers le Japon. À Hokkaido et dans le nord de Honshu, nous constatons que la valeur b est modulée par la charge de neige, confirmant les résultats antérieurs sur la saisonnalité de l'activité sismique des grands séismes historiques. À Kyushu, cependant, aucune variation de la valeur b n'est observée malgré de fortes contraintes dues aux pluies estivales. Cette différence pourrait être due à la nature transitoire des précipitations par rapport aux charges de neige, ou à des différences dans les régimes tectoniques : les failles inverses à Hokkaido et dans le nord de Honshu subissent une réduction de la contrainte de rupture de Coulomb due à la charge de surface, alors que les failles normales et décrochantes à Kyushu peuvent entraîner de moindres perturbations. Notre approche multiéchelle démontre l'universalité des variations relativement élevées de la valeur b en réponse à de petites perturbations de contrainte, avec d’importantes conséquences pour évaluer les risques sismiques et pour notre compréhension des phénomènes sismiques et des interactions entre les enveloppes terrestres.

Stress oscillations, with periods ranging from fractions of a second to long-term climatic cycles, constantly rock the Earth. However, the effect of these transients on the mechanical behaviour of seismogenic faults, including on the triggering, the nucleation phase, and the growth of EQs remains poorly understood. Recent evidence suggests that faults close to failure may become more sensitive to periodic stressing, which remains to be rigorously constrained. This thesis aims to study the response of faults in the presence of transient stresses at both the scale of the laboratory and in nature to explore scale-invariant properties of earthquake nucleation and propagation. To this end, we designed a realistic synthetic fault system capable of generating large micro-seismicity catalogues in the laboratory whilst not being prone to macroscopic failure and its associated clustering. We conducted gouge shearing experiments at shallow crustal pressures in a triaxial apparatus, applying both constant uniaxial loading rates and oscillating confining pressures. By monitoring acoustic emissions resulting from crack propagation in a medium with macroscopically velocity-strengthening properties across a range of oscillation amplitudes, periods, and loading rates, we studied how acoustic emissions respond to these oscillations. We find a linear scaling of seismicity rate variation with stress amplitude, compatible with the high-frequency oscillation rate-and-state friction regime. We also observe a phase shift under certain experimental conditions, consistent with the transition towards the low-frequency, stress-driven regime. These observations align with numerical works suggesting that the response of finite faults embedded in a creeping matrix is subject to the same regimes as the rate-and-state model predicts. Furthermore, a significant sensitivity of acoustic emission b-value to stress oscillation was observed, much larger than usually reported when considering varying differential stress. To complement our experimental results, we investigated seismicity in eastern and central Nepal, where annual seismicity rate modulations were previously reported, over a longer period, and explored potential b-value variations. We found no statistically significant seasonal seismicity rate variations, challenging the hypothesis that the nucleation time of Nepalese mid-crustal seismicity is less than a year and that effective normal stress is close to zero. However, we do observe statistically significant seasonal b-value modulation. We determine the stress perturbations generated at depth on the Main Himalayan Thrust by annual hydrological surface loading, as measured by satellite gravimetry. Doing so, we demonstrate that the transiently high b-value observed during the peak of the monsoon is synchronous wth the highest hydrological loading rate, which induces a transient reduction of overall Coulomb stress across the MHT. Finally, we investigate annual b-value variations across inland Japan. In Hokkaido and Northern Honshu, we find that the b-value is modulated by snow load. This confirms previous findings regarding the seasonality of large-earthquake activity obtained from historical catalogues. In Kyushu, however, no b-value variations were observed despite large hydrological stressing due to heavy summer rainfalls. This difference in response may be due to the transient nature of rainfall compared to snow loads, or to differences in faulting mechanisms, with thrust faulting in Hokkaido and Northern Honshu leading to reduction of Coulomb stress due to surface loading, where normal and strike slip faulting in Kyushu may lead to reduced Coulomb stress perturbations. Our multiscale approach demonstrates the ubiquitousness of relatively high b-value variations in response to small stress perturbations, with important consequences for earthquake hazard and for our understanding of earthquake phenomena, and the couplings between Earth envelopes.