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1 SISMICITE ET FAILLES: faits et questionnements actuels 1. 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 fracturation multi-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.

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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.

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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

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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)

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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

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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

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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…

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8. évaluer et comprendre la variabilité spatiale du mouvement du sol; …

etc…

Localisation de la sismicité en mer

D’après Laigle, Hirn, Roux

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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…

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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)

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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

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Conf. Madariaga, 2006

Comparaison de 2

modèles de rupture du

séisme de Landers

Madariaga, 2006

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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

pla

cem

en

t

temps

déformationpermanente Vst

Introduction

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IllustrationsPollitz, 2003, GJI

Interactions dans les

systèmes de faille

P. Bernard, IPGP,

2005

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« 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 »)

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Silent slip on Cascadian subduction zone

Dragert et al., Science, 292, May 2001

Sauts dans les

séries temporelles

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“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

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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