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SISMICITE ET FAILLES: faits et
questionnements actuels1. Sismotectonique (pro parte)� A- Localisation et relocalisation des séismes� B- Le problème de la source et sa dynamique� C- Relations empiriques entre magnitude et paramètres de faille
2. Cycle sismique: état de l'art, questions� A- Le problème de la régularité du cycle� B- Nouvelles observations: NVT, séismes lents, déformations
co- et post-sismiques� C- Modèles et hypothèses (à l’échelle du cycle sismique)� D- Vitesses « long terme » sur failles: variations?
Conclusions
Master 2 Géosciences Océan – UE S9 « Grands Processus Océaniques » 2010-2011
Jacques DEVERCHERE – 08/12/2010
Préambule� Suite – Compléments dans l’UE optionnelle:
Géodynamique : Tectonique et Géophysique�Tectonique:
�Analyses avancées de la fracturation (CM 6h, TD 5h) Géométrie, cinématique, dynamique de la fracturationmulti-échelles. Propagation des failles. Champ de contrainte. Analyse quantitative des populations de failles. Inversion des paléocontraintes
�Néotectonique (14h CM) Mécanique des séismes, sismotectonique, sismicité historique, géologie des séismes et morphotectonique,paléosismicité, mesures de la déformation active, géodésie.
2
1. Sismotectonique
� A. Localisation et relocalisation des séismes: Plan– Un problème de réseau… et de technologie améliorée (temps GPS, volumes
espace disques, réponses des capteurs,…)
– Un couplage avec les développements instrumentaux et les bases de données (standardisation des réponses instrumentales, temps réel, formats standard, centres de données)
– Echelles spatiale et temporelle: améliorées
– Algorithmes: Modèles 1D, 2D, 3D, inversion conjointe modèles-hypocentres
– Quelques objectifs…
– Le défi de la sismicité en mer
Capteurs: GURALP, LENNARTZ, NOEMAX (KINEMETRICS), SPRENGNETHER
Portail des données sismologiques en France: FOSFORE http://www.fosfore.ipgp.fr/
Méthodes: Quelques Spécialistes d’algorithmes de localisation:
- Edouard KISSLING (ETH ZURICH)
- Bill ELLSWORTH (USGS)
- Gary PAVLIS (INDIANA University, Bloomington: http://geology.indiana.edu/pavlis/)
Pour visualiser les données des stations GEOSCOPE en temps réel:http://geoscope.ipgp.jussieu.fr/BUD_QUERY/bud_stuff/bud/bud_start.pl
Stations GEOSCOPE en mars 2006
3
Broadband (BB)stations in Europe(status 1/1/2004)
Orfeus
Réseau français en développement: RESIF
http://www.resif.fr/
1. Apporter des arguments au débat sur la rhéologie
de la lithosphère continentale
Quelques objectifs des réseaux denses
(locaux/régionaux, permanents/temporaires)
4
2. Étudier la structure des zones de subduction, sièges de grands séismes,
celle des panaches, comprendre le rôle du manteau dans la tectonique continentale
3. Imager les structures crustales à haute résolution
5
4. Fournir conjointement une imagerie haute-résolution et unerelocalisation relative des hypocentres sur les failles actives
Loc. absolue
Loc. relative (HypoDD)
Application: Réactivation de failles normales ?
Iso-contour
Vp = 5.7
km/s
Kato et al. (2009)
A
E
Zones en
compression
Bassin arrière-arc, Japon
6
5. Imager à haute résolution les volcans
6. « voir » le glissement - inversion cinématique
7. « Voir » les failles à l’origine des séismes destructeurs (interventions
post-sismiques)
Ex.: Boumerdès 2003, Chili
2010, Haïti 2010, …
Ex.: Spitak 1988, Bam 2003, Hennebont 2002…
7
8. évaluer et comprendre la variabilité spatiale du mouvement du sol; …
etc…
Localisation de la sismicité en mer
D’après Laigle, Hirn, Roux
8
Réseau national des parcs OBS FrançaisLes parcs OBS existants en France
– Parc OBS Brest (IFREMER - UBO)• MicrOBS conception IFREMER• Capteurs : hydrophone, 3 géophone 10 Hz• Financement IFREMER, Région• En chiffres
– 2 ITA– 15 OBS anciens, 10 nouveaux– 25 MicrOBS (dont 5 UBO)
– Parc OBS Géosciences Azur• OBS « Hippocampe » Géosciences Azur• Différents capteurs • Financement IRD, Région PACA• En chiffres
– 3 ITA– 20 OBS Hippocampe– 10 OBS Hippocampe Martinique– 7 OBS anciens opérationnels
MicrOBSMicrOBS
OBS «OBS « HippocampeHippocampe »»
Nombreux objectifs scientifiques:
couplages avec autres méthodes� Plusieurs problèmes nécessitent des observations sur
le long terme– Mouvements forts (atténuation/effet de site)
– Précurseurs sismiques
– Pentes de volcans
– Glissements de terrain…
� Capteurs diversifiés:– « Antennes » sismologiques (voir site RESIF)
– Capteurs de déformation, Inclinomètres, …
– GPS
– Satellites: InSAR (ex. séisme de Landers, 1992)
– Etc…
9
1s 1min 1h 1d 1y1m 10y
Détection de transitoires par des mesures près de la surface
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
100y
Tectonic loading10-7/yr
tides
STS2
transients
Coseismic
9876
5
M=4
TILTMETER
GPS
Déformation
temps
Microscale :Contact interactions, potential, dissipation, surface energy, friction, thermal flash, wear, fluids and melting, deformation.
Mesoscale motion :Fault zone deformation, surface energybreakdown and friction dissipation, fluidspressurisation, melting, laboratoryexperiments, interface constitutive laws
Interface dynamics :Rupture initiation, propagation and arrest, off-interface dissipation, radiation, asperities, energy balance, laboratoryexperiments
Individual faults :fault geometry, depth variation, crustalheterogeneities, radiation, strong groundmotion, multiplets, inversions, …
Fault networks :Fault interactions, seismicity, space and time correlations, foreshocks, aftershocks, regionalhazards
1. Sismotectonique� B. Source et sa dynamique
Les problématiques
(J-P. Vilotte, IPGP)
10
Earthquake source dynamics ProblemThe classical earthquake model: fault plane with friction
(Kinematics)
(Dynamics)
Direct Inverse
Problem posed by recent observations: scaling from laboratory to natural faults (fracture energy, stress heterogeneities)
BB Seismic waves
Hifi Seismic waves
Macroscale
Mesoscale
(< 0.3 Hz λ> 5 km)
(>0.5 Hz λ<2 km)
Following Kostrov
Cas de Landers (Mw 7.3, 1992)
Peyrat, Aochi, Madariaga, Olsen
Olsen, Archuleta, Matarese
modèle d'aspérités: contrainte
initiale variable, résistance à la
rupture uniforme ; modèle de
barrières : l’inverse
Modèle de rupture sur faille existante
11
Conf. Madariaga, 2006
Comparaison de 2
modèles de rupture du
séisme de Landers
Madariaga, 2006
12
Modèle B
The « smooth » fault modeldevelops supershear shocks
The « rough » fault models produces subshear ruptures
Why? Detailed energy balance
Deux tentatives pour modéliser le séisme d’Izmit (1999)
Modèle E
Aochi, Fuyama, Madariaga, 2003
Fault geometry and Hifi radiation
-> Inversions cinématiques non uniques ! -> Inversions dynamiques aussi…+ La dynamique est contrôlée par des bilans d’énergie difficiles à faire -importance des données télésismiques et régionales
Kinematic models -> Dynamic models
ORIGINE DE L’HETEROGENEITE: Dynamique ou géométrique?
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1. Sismotectonique
� C. Relations empiriques entre magnitude et paramètres de faille– Lois d’échelle
– Base de données: Source parameters of 421 historic earthquakes; Only continental interplate or intraplate earthquakes (M > ~4.5, h < 40 km)
– Ms vs. Mw
– Surface rupture length averaged about 75% of subsurface rupture length
– Corrélations entre paramètres
Repris de
Madariaga, 2006
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Exemple d’analyse statistique de corrélation de paramètres
� Strong Correlation (r = 0.89 to 0.95, s = 0.24 to 0.28)
Mw vs. Surface Rupture Length, Subsurface Rupture Length and Rupture
Area
Wells et Coppersmith, 2004
Das et al., 2005
Corrélations existent mais variabilité liée à la complexité de la rupture et au
transfert vers la surface
Relations entre répliques, distribution en
magnitude et type de déformation
Fréquence des répliques et distribution fréquence-magnitude en fonction du mécanisme des séismesPour les séquences de répliques, le régime de décroissance en loi de puissance (ligne noire) met plus de temps à s'établir (ligne pointillée verticale) pour
des séismes de failles normales que pour des séismes de failles inverses, prenant une valeur intermédiaire le long des décrochements. De même, la pente
de la relation fréquence-magnitude est supérieure à 1 pour les séismes de failles normale, inférieure à 1 pour des séismes de failles inverse, prenant une
fois de plus une valeur intermédiaire pour des séismes décrochants (les lignes noires indiquent une pente de 1).
Similitudes entre le
comportement des
séquences de répliques et la
distribution en taille des
séismes -> les mêmes processus physiques
contrôlent-ils les mécanismes de
relaxation post-sismiques et la
propagation du front de rupture ?
-> Aléa sismique: les répliques
pourraient permettre de quantifier
des variations de l'état de
contrainte tout au long du cycle
sismique et donc d'identifier les
zones susceptibles d'être affectées
par un séisme de forte magnitude
Analyse statistique des catalogues de sismicité américains et japonais
Narteau et al., Nature, 2009
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2. Cycle sismique: état de l'art, questions
� - Intro: Vitesses instantanée et ‘steady-state’
� - A. Le problème de la régularité du cycle
� - B. Nouvelles observations: NVT, séismes lents, déformations
post-sismiques
� - C. Modèles et hypothèses (à l’échelle du cycle sismique)
� - D. Vitesses « long terme » sur failles: Variations?
Vitesses instantanée et ‘steady-state’- Temps courts: Vitesse instantanée, dite intersismique
- Temps longs: Vitesse dite « steady-state » (Vst)
- Termes correspondants: déformations « transitoires » (à l’échelle
temporelle du cycle sismique), instantanées, ou permanentes
->2 champs de vitesse différents car les propriétés mécaniques de la
lithosphère varient en fonction du temps (mais aussi dans l’espace)
post-sismique
intersismique
cosismique cosismique
dé
pla
cem
en
t
temps
déformationpermanente Vst
Introduction
16
IllustrationsPollitz, 2003, GJI
Interactions dans les
systèmes de faille
P. Bernard, IPGP,
2005
17
« Cycle » des séismes: chargement élastique, rupture sismique (périodes intersismiques et post-sismiques)
Le modèle: Ried, 1910 « cycle » sismique
Période intersismique
Chargement élastique
Période cosismiqueSEISME: Chute de contrainte – Libération
de l’énergie sismique accumulée
2A. Le problème de la régularité du cycle
- Temps de retour: quelques
dizaines à quelques milliers
d’années
- Cycle: régulier? NON
- Magnitude: identique? NON
- Variations: vitesse, état du plan
de rupture (friction, contrainte),
dimensions des zones de rupture
Résistance des failles
-> CE MODELE de SEISME CARACTERISTIQUE ne
fonctionne pas : trop simple
-> Transformation difficile en modèle prédictif
Temps de retour
Temps de retour
1. Modèle théorique (dans un monde idéal…)
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Cas type d’une zone de subduction
(INTERPLAQUE, RAPIDE)Cas type des domaines continentaux
(INTRAPLAQUE, LENT)
Deux grands modèles actuels2. Modèles +/- empiriques
« Cycle » sismique : modèles
Notion de séisme caractéristique Compétition tectonique-érosion
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Bilan: pas de modèles de récurrence de séismes
Reid, 1910
Mesures de déformation par GPS à travers la faille
San Andreas en Californie (période 1992-2000):
Distance perpendiculaire à la faille de San Andreas (km)
Dép
lace
men
t m
esur
épa
r G
PS
(m
m/a
n)
⇒ La faille ne glisse pas: Faille bloquée
⇒ La zone autour de la faille se déforme
Exemple de chargement élastique mesuré :- 1. Période intersismique
INTERSISMIQUE
COSISMIQUE
- 2B. Nouvelles observations: NVT, séismes lents, déformations co- et post-sismiques
V(x) = 1/π [Vo tan-1(x/DL)]
DL = profondeur de blocage (« locking depth »)
20
Silent slip on Cascadian subduction zone
Dragert et al., Science, 292, May 2001
Sauts dans les
séries temporelles
21
“Silent slip” à l’interface de
subduction
Liens « silent slips » – tremors (NVT)
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N-S displacement measured during 12 years by the GPS station CAIG
Séismes 2005-06
NVT
NVT
« Rumeur » = activité NVT pendant le « slow slip event » de 2006 à Guerrero Cercles jaunes = déplacement GPS
Courbe rouge = Energie quotidienne normalisée à la station BUCU (1-2 Hz)
Courbe bleue = Lissage sur une fenêtre de 60 jours
Campillo et al., 2008
Propagation du glissement en profondeur
23
Exemple 1: Mouvement de faille pendant Landers (M=7.2, Juin 1992)
Day of year (1992)
Dis
tanc
e va
riatio
n (c
m)
Variation of distance between sites GOLD and PIN1 measured by GPS
Road offset by the Landers earthquake fault
Displacements due to the
Landers earthquake
measured by GPS and radar interferometry
- Période cosismique - Période post-sismique
2. Périodes cosismique et post-sismique
Multiples mécanismes testés:
� Afterslip profond [Shen et al., 1994; Bock et al., 1997; Savage and Svarc, 1997]
� Relaxation visqueuse dans la croûte inférieure [Deng et al., 1998]
� Combinaison de rebond poroélastique et d’afterslip [Peltzer et al., 1998; Fialko, 2004]
� Combinaison de rebond poroélastique et de relaxation visqueuse dans la croute inférieure [Masterlark and Wang, 2002]
� Relaxation visqueuse linéaire essentiellement dans le manteau lithosphérique [Pollitz et al., 2000]
� Relaxation visqueuse non linéaire dans le manteau lithosphérique [Freed and Bürgmann, 2004]
Peltzer et al., 1998
- Période post-sismique
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Boumerdès: déplacements co- et
post-sismiques
Mahsas et al., 2008, Geophys. J. Int. (2008) 172, 155–166
Le co-sismique: Uplift ~55 cm à la
côte; 2.5 m de glissement max. à l’ouest
sur la faille; 25 cm max. mouvement
horizontal à l’Ouest
Le post-sismique: - 6 sites mesurés sur 2,5 ans
- Jusqu’à 4 cm de déplacement horizontal
- Décroissance logarithmique des vitesses
- Plus rapide au large
Exemple 2
4 périodes
successives de 7
mois
Soulèvement vertical
(mm)
� Assuming locked fault in an elastic half space, interseismic elastic strain accumulation can be modeled using:
V(x) = 1/π [Vo tan-1(x/DL)]– Vo = far-field velocity
– DL = locking depth
� Other solution:� Other more sophisticated
models exist, e.g.accounting for a viscoelasticlower crust.
� Tradeoff between locking depth and far-field velocity…
Velocity profile perpendicular to the San Andreas fault (fault-parallel component). Model = line, GPS data = circles
(D = 10 km, Vo = 46 mm/yr)
Far-fieldvelocity Vo
Locking depth DL
GPS velocities
Lithosphere
Asthenosphere
H
x
Modèle de faille bloquée
�- 2C. Modèles et hypothèses
V(x) = 1/π [Vo tan-1(x/DL)]
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Geodetic observations of interseismic strain accumulation: Southern California
� SCEC velocity field: http://www.scecdc.scec.org
� 3 fault segments, 3 profiles
� Simple model of elastic strain accumulation on a locked fault:
� Variations of DL
Un séisme ‘silencieux’/’lent’.. Mw=7.5!!
Guerrero