Vers une approche physique de l’aléa glissement de terrain sous-marin déclenché par un séisme

Towards physics-based hazard assessment for earthquake-triggered submarine landslides

• Auteur / Autrice : Hugo Lestrelin
• Direction : Françoise Courboulex, Enrique Diego Mercerat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat sciences de la planete et de l'univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)

Mots clés

Mots clés libres

Glissement de terrain

Modélisation

Sismologie

Géomécanique

Landslides

Modelling

Seismology

Geomechanics

Résumé

Les glissements de terrain sous-marins modifient la morphologie des zones côtières et sont parfois responsables de tsunamis proximaux susceptibles de causer des dégâts importants. Ces glissements sous-marins s’initient souvent spontanément, mais ils peuvent aussi être déclenchés par des séismes. Le déclenchement des glissements de terrain par des séismes a été étudié empiriquement, mais les modèles quantitatifs basés sur la physique de l’initiation des instabilités par chargement dynamique sont encore insuffisamment développés pour évaluer ce danger. Le projet vise à combler cette lacune en intégrant les capacités de calcul actuelles dans la modélisation des sources sismiques, de la propagation des ondes et de l'initiation des instabilités dans les géomatériaux. Le but de cette thèse est de développer des modèles géomécaniques de différents niveaux de complexité pour comprendre l'importance de chaque paramètre constitutif du système géologique à étudier (séisme-instabilité-glissement), développer des relations simples basées sur des modèles physiques qui se prêtent à l'évaluation de l’aléa glissements de terrain sous-marins, et les généraliser au-delà d’un site pilote. Le projet s'appuiera sur les données existantes et les études antérieures sur la pente de l'aéroport de Nice-Côte d'Azur (France), site pilote de notre étude (Dan et al., 2007 ; Kelner et al., 2016 ; Rohmer et al., 2020). Un glissement de terrain et un tsunami catastrophiques se sont produits en octobre 1979, lors de l'extension de la plateforme pour la construction d’un port de commerce (Sultan et al. 2010). Compte tenu du niveau de sismicité de la région sud-est de la France, il est important d'estimer l'impact potentiel d'un séisme sur la pente de l'aéroport, où se trouvent des dépôts sédimentaires à faible résistance. De plus, grâce à l'installation d'un sismomètre large bande sous la mer, une forte amplification des ondes sismiques a été mise en évidence et augmente considérablement l’aléa sismique dans cette zone (Courboulex et al., 2020) d’où l’importance de cette étude dans un site à fort enjeu. Une approche intégrée de modélisation, comprenant la cinématique et la dynamique de la source étendue, la propagation d’ondes et l’initiation du glissement de terrain, est nécessaire pour prendre en compte la complexité de la source quand elle est proche du site, et du champ d’ondes quand il est modifié par les structures géologiques locales. Le glissement s’initiant sur un plan de faiblesse existant peut être modélisé comme une instabilité de frottement (Helmstetter et al, 2004 ; Viesca et Rice, 2012). Des opportunités restent donc à saisir en exploitant les avancées récentes dans la compréhension du processus de nucléation de séismes et de leur déclenchement dynamique, en particulier dans le cadre des lois de frottement modernes développées à partir d’observations en laboratoire et de modèles micro-mécaniques et en adaptant les outils de simulation numérique de la rupture sismique. Références : Courboulex, F., Mercerat, E.D., Deschamps, A., Migeon, S., Baques, M., Larroque, C., Rivet, D., Hello, Y. (2020) Strong Site Effect Revealed by a New Broadband Seismometer on the Continental Shelf Offshore Nice Airport (Southeastern France). Pure and Applied Geophysics, doi : 10.1007/s00024-019-02408-9 Dan, G., Sultan, N. & Savoye, B.(2007). The 1979 Nice harbour catastrophe revisited: Trigger mechanism inferred from geotechnical measurements and numerical modelling. Marine Geology, 245:40–64. doi: 10.1016/j.margeo.2007.06.011 Helmstetter, A., D. Sornette, J.-R. Grasso, J. V. Andersen, S. Gluzman, et V. Pisarenko. (2004) Slider Block Friction Model for Landslides: Application to Vaiont and La Clapière Landslides . Journal of Geophysical Research: Solid Earth 109, B2. Kelner, M., Migeon, S., Tric, E., Courboulex, F., Dano, A., Lebourg, T., & Taboada, A. (2016). Frequence and triggering of small-scale submarine landslides on decadal timescales: Analysis of 4D bathymetric data from the continental slope offshore Nice (France). Marine Geology, 379, 281-297. Rohmer, O., Bertrand, E., Mercerat, E.D., Régnier, J., Pernoud, M., Langlaude, P. and Alvarez, M. (2020) Combining borehole log-stratigraphies and ambient vibration data to build a 3D model of the Lower Var Valley, Nice (France), Engineering Geology, 270:105588. Viesca, R. C., et J. R. Rice. (2012) Nucleation of Slip-Weakening Rupture Instability in Landslides by Localized Increase of Pore Pressure. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 117, B3. doi.org/10.1029/2011JB008866.

Submarine landslides are an important hazard that affect the geomorphology of coastal areas and can trigger disastrous secondary effects, such as tsunamis. Submarine landslides can start naturally, but can also be triggered by earthquakes. The mechanisms of landslide triggering by earthquakes have been studied mostly empirically, and not sufficiently via quantitative models. Physics-based methods to assess this hazard are under-developed. The current project aims at filling this research gap by integrating modern computational capabilities in the modeling of earthquake source processes, wave propagation and initiation of shear instabilities in geomaterials. The goal of this PhD thesis is to develop geomechanical models of different levels of complexity to understand the importance of each constitutive parameter of the geological system under study (earthquake-instability-slip), and to develop simple relationships based on physical models which lend themselves to the quantitative assessment of underwater landslide hazards, and to generalize them beyond a pilot site. The project is built on existing geophysical and geotechnical data from previous studies on the slope of Nice-Côte d'Azur international airport (France), pilot site of our study (Dan et al., 2007; Kelner et al., 2016 ; Rohmer et al., 2020). A catastrophic landslide, followed by a tsunami, occurred in October 1979, during the extension of the platform for the construction of a trading port (Sultan et al. 2010). Given the seismic activity in south-eastern France, it is important to estimate the potential impact of an earthquake on the slope of the airport, where sedimentary deposits with extremely low mechanical resistance are found. In addition, thanks to the installation of a underwater broadband seismometer, a strong amplification of seismic waves has been recently demonstrated, what considerably increases the seismic hazard in this zone (Courboulex et al., 2020). An integrated modeling approach, including extended source kinematics, wave propagation and landslide initiation, is needed to take into account the complexity of the source when it is close to the site and the seismic wavefield modified by local geological structures. The slip initiation on an existing plane of weakness can be modeled as a friction instability (Helmstetter et al, 2004; Viesca and Rice, 2012). Therefore interesting research opportunities remain to be explored following recent advances in the understanding of the nucleation process of earthquakes and their dynamic triggering, in particular within the framework of modern friction laws developed from laboratory experiments and micro-mechanical models, and by adapting the numerical tools of dynamic rupture simulations. References : Courboulex, F., Mercerat, E.D., Deschamps, A., Migeon, S., Baques, M., Larroque, C., Rivet, D., Hello, Y. (2020) Strong Site Effect Revealed by a New Broadband Seismometer on the Continental Shelf Offshore Nice Airport (Southeastern France). Pure and Applied Geophysics, doi : 10.1007/s00024-019-02408-9 Dan, G., Sultan, N. & Savoye, B.(2007). The 1979 Nice harbour catastrophe revisited: Trigger mechanism inferred from geotechnical measurements and numerical modelling. Marine Geology, 245:40–64. doi: 10.1016/j.margeo.2007.06.011 Helmstetter, A., D. Sornette, J.-R. Grasso, J. V. Andersen, S. Gluzman, et V. Pisarenko. (2004) Slider Block Friction Model for Landslides: Application to Vaiont and La Clapière Landslides . Journal of Geophysical Research: Solid Earth 109, B2. Kelner, M., Migeon, S., Tric, E., Courboulex, F., Dano, A., Lebourg, T., & Taboada, A. (2016). Frequence and triggering of small-scale submarine landslides on decadal timescales: Analysis of 4D bathymetric data from the continental slope offshore Nice (France). Marine Geology, 379, 281-297. Rohmer, O., Bertrand, E., Mercerat, E.D., Régnier, J., Pernoud, M., Langlaude, P. and Alvarez, M. (2020) Combining borehole log-stratigraphies and ambient vibration data to build a 3D model of the Lower Var Valley, Nice (France), Engineering Geology, 270:105588. Viesca, R. C., et J. R. Rice. (2012) Nucleation of Slip-Weakening Rupture Instability in Landslides by Localized Increase of Pore Pressure. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 117, B3. doi.org/10.1029/2011JB008866.