Etude paléosismologique multi-lacs au sud-est du Tibet : analyse de l'enregistrement sédimentaire de l'activité de la faille de Xianshuihe

Multi-site Lacustrine Paleoseismological Study in Southeast Tibet : Analysis of Sedimentary Records of the Xianshuihe Fault System Activity

• Auteur / Autrice : François Lemot
• Direction : Anne Replumaz, Bruno Wilhelm
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 (Grenoble, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Julia de Bernardy de Sigoyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Katrina Kremer, Jean-François Ritz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Bellier, Jamie Howarth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Failles (géologie)

Sédiments lacustres

Risques sismiques

Paléosismologie

Mots clés libres

Paléosismologie

Sédiments lacustres

Risque sismique

Tibet

Paleoseismology

Lacustrine sediemnts

Seismic hazard

Tibet

Résumé

Situé au sud-est du plateau tibétain, le système de faille de Xianshuihe est l'un des plus actifs de Chine, avec un taux de glissement d'environ un centimètre par an et plus de 14 séismes de magnitude supérieure à 7 enregistrés depuis le XVIIIe siècle. Le séisme le plus récent est celui de Luding (Ms 6.8) en 2022, et pratiquement toute la longueur de la faille a rompu au moins une fois au cours des trois derniers siècles. Parallèlement, le développement économique rapide de cette zone, avec la croissance urbaine dans des vallées encaissées et la construction d'infrastructures stratégiques telles que la ligne de chemin de fer Chengdu-Lhassa, augmente l’exposition des populations et des infrastructures au risque sismique.Pour évaluer ce risque et comprendre les processus tectoniques, il est essentiel de disposer d'archives paléosismologiques à long terme. L’étude des sédiments lacustres, méthode qui n’avait jamais été appliquée dans cette région, permet d’obtenir un enregistrement continu à haute résolution des paléo-séismes. Durant cette thèse, j'ai prospecté et étudié 11 lacs de montagne répartis sur 350 km, en utilisant une approche multiméthode pour identifier et dater les dépôts issus de la remobilisation des sédiments causés par les séismes. Les analyses incluent la granulométrie, la tomographie aux rayons X (CT-scan), la géochimie XRF, l'analyse minéralogique (DRX et MEB), ainsi que l'étude de la matière organique et des mesures hyperspectrales. Plusieurs méthodes de datation ont été utilisées : radioéléments de courte période, datation par radiocarbone et corrélations paléomagnétiques.Cette étude a permis d'identifier les lacs les plus prometteurs. Pour obtenir des reconstructions quantitatives de l’activité sismique, j’ai étudié les facteurs qui contrôlent l’enregistrement des séismes, tels que la morphologie des lacs, la nature et le taux d’accumulation des sédiments, fortement influencés par les changements dans le bassin versant. Le premier article de cette thèse explore les variations climatiques et leur impact sur le flux de sédiments. Dans le lac proglaciaire de Yunzhu, nous avons démontré que le flux de sédiments détritique, contrôlé par l’extension des glaciers, est principalement influencé par les variations de température au cours des 2000 dernières années.Le deuxième article propose une méthode pour déterminer les scénarios de rupture sismique en combinant les enregistrements de plusieurs lacs. J’ai utilisé trois sites où j’ai calibré le seuil d’intensité sismique requis pour enregistrer les séismes, à l’aide des archives historiques. Le code que j’ai développé permet de retrouver les zones de ruptures et la gamme de magnitude les plus probables en fonction, même avec un nombre limité d'observations, formant ainsi un paléosismomètre quantitatif.Le troisième article présente l’enregistrement du lac Yalatuo sur plus de 6000 ans. Nous avons identifié 64 dépôts de séismes, avec une sensibilité variable au fil du temps : avant 3400 ans, les taux de sédimentation étaient faibles, limitant l'enregistrement des événements sismiques. Des changements climatiques et anthropiques ultérieurs ont augmenté le flux de sédiments, permettant d’enregistrer davantage de séismes. Depuis 1000 ans, un taux de sédimentation stable a permis d'enregistrer des séismes d'intensité supérieure à VI, avec une récurrence de 35 ans mais une forte irrégularité. Des dépôts plus épais, associés à des intensités plus fortes, se produisent avec une quasi-périodicité d'environ 330 ans.Ces travaux posent un cadre pour de futures études dans la région. Ils permettent de mieux comprendre ce qui contrôle l’enregistrement des séismes entre les différents sites et à travers le temps. Ils mettent en évidence l’intérêt de l’approche multi-lacs pour reconstituer l’activité de la faille et l’interaction entre les différents segments. Ces résultats apportent de nouvelles contraintes sur le comportement à long terme de la faille, encore mal connu.

Located in the southeast of the Tibetan Plateau, the Xianshuihe fault system is one of the most active in China, with a slip rate of about one centimeter per year and more than 14 earthquakes of magnitude greater than 7 recorded since the 18th century. The most recent earthquake was the Luding earthquake (Ms 6.8) in 2022, and nearly the entire length of the fault has ruptured at least once in the past three centuries. Meanwhile, rapid economic development in the area, with urban growth in steep valleys and the construction of strategic infrastructure such as the Chengdu-Lhasa railway line, increases the exposure of populations and infrastructure to seismic risk.To assess this risk and understand the tectonic processes at work, it is essential to have long-term paleoseismological archives. The study of lacustrine sediments, a method that had never been applied in this region, provides a continuous, high-resolution record of paleoseismic events. During this thesis, I investigated and studied 11 mountain lakes distributed over 350 km, using a multi-method approach to identify and date deposits resulting from the remobilization of sediments triggered by earthquakes. The analyses included grain size analysis, CT scan, XRF geochemistry, mineralogical analysis (XRD and SEM), as well as the study of organic matter and hyperspectral measurements. Several dating methods were used, including short-lived radioisotopes, radiocarbon dating, and paleomagnetic correlations.This study allowed us to identify the most promising lakes. To obtain quantitative reconstructions of seismic activity, I examined the factors controlling earthquake recording, such as lake morphology, the nature and accumulation rate of sediments, which are strongly influenced by changes in the lake’s catchment. The first article of this thesis explores climatic variations and their impact on sediment flux. In Yunzhu proglacial lake, we demonstrated that the detrital sediment flux, controlled by glacier extent, is primarily influenced by temperature variations over the past 2000 years.The second article proposes a method to determine seismic rupture scenarios by combining records from multiple lakes. I used three sites where I calibrated the seismic intensity threshold required to record earthquakes, using historical archives. The code I developed identifies the most probable rupture zones and magnitude ranges based on the observed deposits, even with a limited number of observations, thus forming a quantitative paleoseismometer.The third article presents the long-term record of Lake Yalatuo, spanning over 6000 years. We identified 64 seismic deposits with varying sensitivity over time: before 3400 years ago, low sedimentation rates limited the recording of seismic events. Subsequent climatic and anthropogenic changes increased sediment flux, enabling more earthquakes to be recorded. Over the past 1000 years, a stable sedimentation rate has allowed us to record earthquakes of intensity greater than VI, with an average recurrence interval of 35 years but significant irregularity. Thicker deposits, associated with stronger intensities, occur with a quasi-periodicity of about 330 years.These findings provide a framework for future studies in the region. They help to better understand the factors controlling the recording of seismic events between different sites and over time. They highlight the value of the multi-lake approach for reconstructing fault activity and interactions between different fault segments. These results provide new constraints on the long-term behavior of the fault, which remains poorly understood.