Titre : Long term multi-sensor InSAR analysis of surface displacement...

Titre:Longtermmulti-sensorInSARanalysisofsurfacedisplacementoverHispaniolaIsland.

Encadrantsdethèse:RomainJolivet,EricCalais

Lesséismessontclassiquementinterprétésdanslecadreduconceptde«cyclesismique»,envisagédepuisunecentained’année.Cecycleestdéfinipardelonguespériodesdelentesd’accumulationdecontrainteslelongdesfaillessousl’effetdumouvementcontinudesplaquespavantlasurfacedelaTerre en alternance avec des glissements rapides relâchant, rapidement, lors d’un séisme tout oupartiedel’énergieaccumulée[Reid1911].Cependantdepuislamiseenlumièredesséismeslentsetdesglissementsasismiquesdanslesannées1990,cettevisionsimpleducyclesismiqueestremiseenquestion[e.g.Dragertetal,2001;Peng&Gomberg,2010].Cesséismeslentsetglissementsasismiquessontobservésdansleszonesdefaillesactivesetlibèrentunepartiedel’énergiesismiqueaccumuléepluslentementqu’unséismeordinaire(i.eplusieursjoursàmoiscomparésàquelquessecondespourles séismesordinaires)mais à toutes les échelles de temps et d’espace [e.g. Burgmann, 2018]. Enrelâchantunepartiedel’énergieaccumulée, ilscontribuentainsiàmodifiersignificativementl’aléasismiquedansunezonedonnée,etainsimodifier laprobabilitéd’occurrenced’unséismede fortemagnitude.Séismeslentsetglissementasismiques,s’ilsneproduisentpasoupeud’ondessismiquespeuvent libérer une partie non négligeable du budget énergétique d’une faille active, avec desmagnitudes équivalentes pouvant aller jusqu’à 8 (observée à ce jour). Ce renversement de nosconnaissancessurlecyclesismiqueconstitueunvéritablechangementdeparadigmeetrequiertdenouvellesobservations.L’étudeet lacaractérisationde lavariétéd’évènementsdeglissementssismiquesetasismiquesdeduréeetdetaillevariableestprimordialepourquantifierlebilandesforcesaccumuléesetcomprendrelaphysiquesous-jacente,versunemeilleureévaluationdurisquesismique.Initialement,desmesuresgéodésiques,essentiellementparGlobalPositionningSystem(GPS)[Rogers&Dragert,2003],ontpermisd’explorerlescaractéristiquesdesglissementslentsetduchargementintersismiqueavecdesmesuresdedéplacementsdelasurfacedusoldansleszonesdefaillesactives.Cescaractéristiquesontétéétudiéesdansleszonesdesubductionainsiquelelongdegrandssystèmesdefaillescontinentaux,commeparexemple le longdelafailledeSanAndreasoudelafailleNordAnatolienne.Ilaainsiétémisenévidencerécemmentqu’ilexisteunetrèsgrandevariétédetypedeglissementsasismiquesetqu’uncontinuumsemblerelierlesséismesetlesséismeslents.Cependantdans beaucoup de région du globe, les épisodes de chargement et de déchargement sismique ouasismiquesontpeudocumentésdufaitdecouverturespatialeéparsedesréseauxGPS[e.g.Jolivetetal,2012].Deplus,unevastearchived’imagessatellitaires(Radarouoptique)existemaisnepermetpaspourlemomentdedéterminerunscénariocohérentdeladéformationsurplusieursdécennies.L’étude de tels phénomènes nécessite donc la mise en place d’un outil permettant une fusionsystématiqueetglobaledetouteslesmesuresgéodésiquespourdéterminerunchampdedéformationdelasurfaceen4D(3D+temps)lelongdesfaillesactivessurdelonguespériodesdetemps.Un moyen pour résoudre le problème de couverture spatiale et temporelle vient des missionsd’observation spatiales de la Terre. La quantité de données d’imagerie SAR (Radar à Synthèsed’Ouverture)etoptiquen’afaitques’accroitredansles30dernièresannées.L’imagerieRadarpermet

demesurer finement (i.e aummprès) l’évolution temporelle des déplacements du sol [Simons&Rosen,2015].Cetteméthodepermetaujourd’huiunecartographiesystématiquedetouteslesrégionsactivementdéforméesdumonde(Figure1).Cesdonnéessontaujourd’huidisponiblesetleschainesde traitement pour chaque type d’image sont bien établies. La plupart des études actuelles seréduisent à l’utilisation d’un seul capteur (par exemple ALOS dans le cas de Haïti), ce qui limitefortementnotrecapacitéàétudierlesfaillesactivessurdeséchellesdetempssupérieuresàquelquesannées.Iln’existepasencoredeméthodepermettantdefusionnerlesmesuresréaliséespardifférentssatellitesoucapteursdansunesérietemporellecommunedeladéformation.L’obtentiondelonguessériestemporellesdedonnéesSARavecunegrandecouverturespatialeetdesprécisionsdel’ordrede la centaine de mètres nous permettrait d’étudier finement les comportements des failles, laphysiquedestremblementsdeterreetd’envisagerlerisquesismiquedemanièreplussereine.

Figure1 :Exempled’un interférogrammede la track136déroulé sur l’îled’Hispaniola. Issudesdonnéesdu

satelliteALOS(2006-2011)eteffectuéentrelesacquisitionsdeFévrier09,2008etJanvier28,2010.Correction

effectuéeàpartirdumodèleatmosphériqueERA-5etleprogrammePyAPS.Imagecosismiqueauséismede2010

deHaïti, ellemet en avant la qualité des données des satellitesALOSpour les zones tropicales etmontre la

subsidenceautourdePort-au-Prince.

L’objectifméthodologiquedeceprojetdethèseestdecréercenouveloutilquiprendencomptelesdifférentsmodesd’acquisitiondessatellitesetpermetderéaliserunjeuuniquededonnées.Cejeudedonnéespouvantêtreétendusurplusde30anspermettraitd’obtenirunedescriptiondesdifférentsmodesde glissements possibles sur une zone précise. Le développement récent au laboratoire degéologie de l’ENS d’outils de détection permettant de manipuler de grands volumes de donnéespermettradedémarrer cetteétude. L’objectif est à termede caractériser tous lesévénementsdeglissement à l’échelle mondiale en traitant l’archive de données Radar de l’ESA (Agence SpatialeEuropéenne).NousbaseronscetteméthodesurunfiltredeKalman[Dalaison&Jolivet,underreview],quenousadapteronspourlafusiond’informationdeplusieurscapteurs.Cesujetproposedetestercetteapprochesurl’îled’Hispaniola(HaïtietRépubliqueDominicaine)oùla variabilité du comportement mécanique des failles actives ainsi que les différents types deglissement restent peu explorés. Ce manque d’information est lié d’une part aux courtes sériestemporellesGPSdisponibles (iln’existeeneffetquetrèspeudestationmesurantencontinu)età

l’existencedejeuxdedonnéessatellitairesdisparatesprovenantdedifférentesmissions.PourtantlaplaqueCaraïbesetsesfrontièresavecl’AmériqueduNordetduSud,marquéespardessubductionsetdegrandssystèmesdefaillesdécrochantes,constitueunlaboratoirenaturelprivilégiépourletestdecenouveloutilpourl’étudedesglissements,sismiquesouasismiquesainsiquepourunemeilleurecompréhensiondelagéodynamiqueàpetiteéchelledanslarégioncaribéenne.

Figure 2 : Carte sismotectonique des Caraïbes [Symithe et al, 2015]. Les lignes noires présentent les failles

majeuresassociéesaux limitesdeplaques. Les cercles colorésprésentent la sismicité relocalisée (1960-2008)

[Engdahl et al, 1998] en fonction de leurs profondeurs. Les mécanismes aux foyers des séismes sont issues

catalogueGlobalCMT(1976-2014)[Ekstrometal,2012].Lesmécanismesinversesenbleu,lesautresenrouges.

Lasubductiondelaplaquenord-américainesouslaplaquecaraïbes(Figure2)montredesvariationslatéralesdecouplagequisembleêtrereliéàunesegmentationdurégimetectoniquelelongdel'arc[Manakeretal.,2008].Avecdeszonessismiquementactivesproches,deHaïtiauNordaveccesfaillesd’HispaniolaetEnriquillo(ayantrompuen2010,Mw=7.3)etauVenezuelaauSudaveclafailled’ElPilar[Pousseetal,2016].Lescartesd’accumulationdecontraintedecoulomb[Alietal,2008]fondéssurdesmodèlesprenantencomptelapaléosismicitémontrel’activitésismiqueimportantedelazone(Séisme des Iles Caïman : Mw=7.8) et suggère l’importance d’avoir accès à de longues sériestemporellesdedonnéesafind’estimeraumieux leszonesàmêmed’accumulerdescontraintesetdoncderompreprochainement.Lapluralitédescontextestectoniquesallantdesubductionfrontale(PetitesAntilles)àsubductionoblique(PortoRico)etsubduction-collision(Hispaniola)combinéeàcesairesdensémentpeupléesfontd’elleunerégionsoushautesurveillance.L’originalitédecetteapprocheestdoncdecombinerlesdonnéesdisponiblesdepuisles30dernièresannéesafinderéaliserenutilisantlefiltredeKalmandéveloppéaulaboratoiredeGéologiedel’ENSdecréerdessériestemporellesdedéformationauniveaudesCaraïbesquin’ontjamaispuêtrefaitesetétudieràcejour.L’équipeencadrantepossèdelesdifférentspôlesdecompétencesnécessairesafindepouvoiraiguilleretaider lecandidatdansces investigations.Uneexpertisedans ledomainedel’InterférométrieSARetdumachinelearningparRomainJolivet,etuneexpertisesurlagéodynamiquedesCaraïbesetl’utilisationdesGPSparÉricCalais.

Afindecomprendrel’évolutiondescontraintesdanslazonedesCaraïbes,noussouhaitonsdonc:

a) Créer une méthodologie nouvelle permettant l’obtention d’une série temporelle dedéplacement de la surface à partir des différentes images venant de différents satellites,intégrantaussilesdonnéesGPSdisponibles.

b) Réalisercesanalysesensériestemporellessurles30dernièresannéessurl’îled’Hispaniola,danslesCaraïbes

c) Confronter ces résultats aux modèles de géodynamiques des Caraïbes construitsessentiellementàpartirdespointsGPS,etlesincluredanscesmodèles.

Lepremierobjectifde la thèse (1èreannée)serademettreenplaceunoutilcapablederécupérer,traiter les différentes données des missions satellites (ALOS1-2, Sentinel1A-B, ERS1-2, Envisat etRADARSAT)etdefusionnerlesinformations,enfonctiondesmodesd’acquisition(Stripmapdanslecas deALOS,WideSwath dans le cas de Sentinel, etc). Cet outil sera basé sur une assimilation dedonnées géodésiques pour la reconstruction d’un champ de déplacement en 3D. Un temps nonnégligeableseraégalementpasséàinclurelessériestemporellesetmesuresdecampagneGPSdanscetteanalyse.Lesecondobjectifdelathèse(2èmeannée)seradetestercetteméthodedéveloppéeaulaboratoiredeGéologiedel’ENSetdel’appliquerauxdonnéesdisponiblessurlesCaraïbes.Puisnousconfronterontcesnouveauxrésultatsauxmodèlesetcartesdecouplagelelongdesgrandesfaillescaribéennes.Enfincesrésultatsserontimplémentésdansdenouveauxmodèles.Cesrésultatsprésentantlasynthèsedeplusde30ansdedonnéespermettrontnotammentdecomprendreplusendétaillecomportementdeszonesayantrécemmentrompu(enparticulierHaïti[Calaisetal,2010]etauxîlesCaïmanen2020).Cetteétudepermettraégalementd’entrevoirleszoneslesplusàmêmesderompredanslefuturoùladéformationetlescontraintess’accumulent.Cesujetdedoctorats’intéressedoncàl’apportdel’interférométrieradaretdel’imageriesatellitaireengénéralpourélucideretaméliorer lesmodèlesgéodynamiqueset lesdéformations tectoniquesassociées.Cetteétudedevraitmettreenexerguelavariabilitéducouplagemécaniquedansl’espaceetdansletempsauseindesgrandesfaillesdecettezone.Lavariabilitédecescomportementsnousinformantenpartiesurlesprocessusmécaniquesquipourraitdéclencherdegrandsséismes.Ce projet sera mené́ dans une équipe multidisciplinaire, mêlant des expertises en géophysique,géodésie et modélisation dynamique à l’échelle globale. Le projet permettra au doctorant dedévelopperdescompétencesenanalysesdedonnéesgéophysiquesmultiples,ainsiqu’entraitementde données pour interpréter les déformations observées dans un cadre de tectonique globale. Ildévelopperaaussidescompétencesenmodélisationphysiqueetnumérique.L’objectifdeceprojetest de construire un profil polyvalent entre spécialiste des données spatiales et expert engéodynamique. Les outils de base existant déjà̀ au laboratoire, il s’agira pour le doctorant ou ladoctorantedeseformerdansdesconditionssainesetsolidesavecuneéquipededoctorantsetdepost-doctorantstravaillantsurdesthématiquessimilaires.

Référencesetliens:- AliS.T.,FreedA.M.,CalaisE.,ManakerD.,McCannW.R.(2008).Coulombstressevolutionin

NortheasternCaribbeanoverthepast250yearsduetocoseismic,postseismicandinterseismicdeformation,GeophysicalJournalInternational,vol.174,pp904–918.

- Berardino P., Fornaro G., Lanari R. and Sansosti E. (2002) A new algorithm for surfacedeformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms in IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,vol.40,pp2375-2383.

- Bürgmann, R. (2018). The geophysics, geology andmechanics of slow fault slip. Earth andPlanetaryScienceLetters,vol.495,pp112-134.

- Calais, E.,A. Freed,G.Mattioli, F.Amelung, S. Jonsson,P. Jansma, S.-H.Hong, T.Dixon,C.Prépetit,andR.Momplaisir,(2010).Transpressionalruptureofanunmappedfaultduringthe2010Haitiearthquake,NatureGeoscience,vol.3,pp.1–6.

- DragertH.,WangK.JamesS.T.,(2001).ASilentSlipEventontheDeeperCascadiaSubductionInterface,Science,pp1525-1528

- Ekström,G.,M.Nettles, andA.M.Dziewonski, (2012) The global CMTproject 2004-2010:Centroid-momenttensorsfor13,017earthquakes,Phys.EarthPlanet.Inter.,200-201,1-9.

- E. Robert Engdahl, Rob van der Hilst, Buland R. (1998). Global teleseismic earthquakerelocationwithimprovedtraveltimesandproceduresfordepthdetermination.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica;88(3),pp722–743.

- JolivetR.,LasserreC.,DoinM.-P.,GuillasoS.,PeltzerG.,DailuR.,SunJ.,ShenZ.-K.,andXuX.(2012),ShallowcreepontheHaiyuanFault(Gansu,China)revealedbySARInterferometry,J.Geophys.Res.,117

- ManakerD.M.,E.Calais,A.M.Freed,S.T.Ali,P.Przybylski,G.Mattioli,P.Jansma,C.Prépetit,J. B. De Chabalier (2008). Interseismic Plate coupling and strain partitioning in theNortheasternCaribbean,GeophysicalJournalInternational,vol.174,pp889–903,

- Peng,Z.,Gomberg,J.(2010)Anintegratedperspectiveofthecontinuumbetweenearthquakesandslow-slipphenomena.NatureGeosciences,vol.3,pp599–607.

- PousseBeltran,L.,Pathier,E.,Jouanne,F.,Vassallo,R.,Reinoza,C.,Audemard,F.,Doin,M.P.,andVolat,M.(2016),SpatialandtemporalvariationsincreepratealongtheElPilarfaultattheCaribbean-SouthAmericanplateboundary(Venezuela),fromInSAR,J.Geophys.Res.SolidEarth,vol.121,pp8276–8296,

- Reid H. F. (1911) The Elastic-Rebound Theory of Earthquakes (University of CaliforniaPublications,BulletinoftheDepartmentofGeology),6,pp413–444.

- RogersR.,DragertH.(2003)EpisodicTremorandSlipontheCascadiaSubductionZone:TheChatterofSilentSlipScience,1942-1943.

- Simons M., and Rosen P.A (2015). Interferometric Synthetic Aperture Radar Geodesy. In:GeraldSchubert(editor-in-chief)TreatiseonGeophysics,2ndedition,vol.3,pp339-385.

- SymitheS.,E.Calais,andJ.B.Chabalier(2015).CurrentblockmotionsandstrainaccumulationonactivefaultsintheCaribbean,JournalofGeophysicalResearch(SolidEarth),vol.120,pp3748–3774.