Relations entre propriétés des failles et propriétés des forts séismes

UNIVERSITE DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS – UFR Sciences
Ecole Doctorale Sciences Fondamentales et Appliquées THESE
Pour obtenir le titre de
Docteur en Sciences
de l’Université de Nice-Sophia Antipolis
Spécialité : Sciences de la Terre et de l’Univers – Géophysique
Présentée et soutenue par
Clément PERRIN Relations entre propriétés des failles et
propriétés des forts séismes
Relations between fault and earthquake
properties
Thèse dirigée par Isabelle MANIGHETTI et Bertrand DELOUIS
Préparée au laboratoire Géoazur, Sophia Antipolis
Soutenue publiquement le 11 juillet 2014 devant le jury composé de :
Michel BOUCHON
Bertrand DELOUIS
Anne DESCHAMPS
Yves GAUDEMER
Isabelle MANIGHETTI
Christopher SCHOLZ
Paul TAPPONNIER
Directeur de Recherche (CNRS, ISTerre)
Professeur (UNS, Géoazur)
Directeur de Recherche (CNRS, Géoazur)
Professeur (UPD, IPGP)
Physicien des Observatoires (OCA, Géoazur)
Professeur (Columbia Univ., LDEO)
Professeur (NTU, Earth Obs. of Singapore)
Rapporteur
Co-Directeur de thèse
Examinateur
Examinateur
Directeur de thèse
Rapporteur
Examinateur
Abstract My objective was to examine the relations between the properties of the long-term geological faults,
and the properties of the large earthquakes produced by these faults. For 26 large (Mw ≥ 6.4) historical
continental earthquakes of various locations and slip modes, I have analyzed satellite imagery to map
the entire traces of the long-term faults along with the associated fault networks. This provided me
information on the fault slip mode, sense of long-term lateral propagation, lateral segmentation, nature
of the zones between the fault segments. For 21 of these earthquakes, I have jointly analyzed the
seismological information available in the literature (Mw, M0, rupture length, width, coseismic slip
distribution, moment release function, duration, etc) and mapped the rupture traces to identify which
long-term fault segments broke. This coupled fault and earthquake information forms the core data of
my work. I have complemented these data with information on various static earthquake parameters
available in the literature for 50 more large historical earthquakes (continental and subduction), with
earthquake surface slip-length data available on ~230 continental earthquakes, and with tectonic
information available for ~50 of the broken long-term faults. The combined analysis of the faults and
earthquakes data shows that: i) Long-term faults have a number of generic properties, i.e., properties
independent on fault size, slip mode, location, among which, a similar arrangement of the fault
networks, a similar lateral segmentation of the fault traces, a similar form of cumulative slip
distribution; ii) Faults evolve in space and time as they accumulate more slip and grow in length, and
this evolution can be described as the fault structural maturity. I provide scaling relations between
fault parameters to qualify the degree of structural maturity of the faults; iii) Large earthquakes also
share common, generic properties, among which a similar coseismic slip-length and slip-width slip
profile, a similar decrease in rupture width along the rupture length, a similar number of broken
segments, a similar stress drop on the broken segments, a similar relative distance between hypocenter
and zone of maximum slip; iv) Some of the long-term fault properties govern some of the large
earthquake properties. The structural maturity of the faults is the tectonic property most impacting the
behavior of large earthquakes. It plays a role in the location of the earthquake initiation; it defines the
fault section where the maximum coseismic slip develops, and governs the maximum amplitude of
that slip, as the direction of the coseismic slip decrease; it dictates the number of major fault segments
that are broken, and hence it controls the rupture length and its overall stress drop; it plays a role on
the rupture propagation efficiency and speed. The structural maturity likely acts in reducing both the
static friction and the geometric complexity of the fault plane. My results therefore suggest that the
earthquake source models should be modified to integrate the structural maturity of the broken faults
along with related properties such as lateral fault segmentation, 3D fault architecture and
heterogeneous state of the crustal medium around faults. Large earthquakes should also be considered
as 3D multi-segment ruptures, therefore having a variable stress drop over the broken area, a variable
focal mechanism along the rupture length, a variable rupture speed, A 3D strain and stress distribution.
To understand the behavior and the physics of earthquakes, it seems inescapable to analyze jointly the
tectonic properties of the broken faults and the seismological properties of the earthquakes.
Résumé Mon objectif était d’examiner les relations entre les propriétés des failles géologiques long-termes et
les propriétés des forts séismes que produisent ces failles. Pour 26 forts (Mw≥6.4) séismes historiques
survenus en des lieux différents et ayant des modes de glissement variables, j’ai cartographié, sur la
base de l’analyse d’images satellitaires, la totalité du système de faille sur lequel s’est produit
l’événement. Cette analyse morpho-tectonique m’a apporté des informations sur le mode de
glissement, la direction de propagation long-terme et la segmentation latérale des failles analysées.
Pour 21 de ces séismes, j’ai conjointement analysé les données sismologiques disponibles dans la
littérature (Mw, M0, longueur et largeur rompues, distributions de glissement co-sismique, durée de la
rupture, fonction source, etc) et cartographié les traces de rupture en surface afin d’identifier quels
segments de la faille long terme ont rompu. Cette information couplée faille-séisme pour 21
événements historiques forme les données de base de mon travail. J’ai complété ces données avec des
informations sur divers paramètres statiques des séismes disponibles dans la littérature pour 45 forts
séismes historiques supplémentaires (intra continentaux et de subduction), avec des données de
déplacement-longueur disponibles pour ~230 séismes continentaux, et avec des informations
tectoniques sur une cinquantaine des failles long-termes rompues par les séismes analysés. L’analyse
combinée des failles et des séismes montre que : i) les failles long-termes ont un certain nombre de
propriétés génériques, c’est-à-dire des propriétés indépendantes de leur taille, de leur mode de
glissement, de leur localisation, parmi lesquelles : une organisation similaire des réseaux de failles,
une segmentation latérale similaire des tracés de failles, une forme similaire de distribution du
glissement cumulé le long des failles ; ii) les failles évoluent dans l’espace et dans le temps et cette
évolution peut être décrite par le concept de « maturité structurale ». J’ai établi des lois d’échelle entre
certains paramètres des failles long-termes (tels que longueur, âge, déplacement maximum cumulé,
vitesse de glissement) et ces lois permettent de qualifier le degré de maturité structurale des failles; iii)
les forts séismes partagent également des propriétés communes, indépendantes de leur magnitude, de
leur mode de glissement, de leur contexte, tels que : une forme similaire de distribution du glissement
cosismique le long des ruptures, en surface comme en profondeur ; un nombre semblable de segments
rompus ; une chute de contrainte similaire sur chaque segment majeur rompu ; une distance relative
similaire entre hypocentre et zone de glissement maximum ; iv) Certaines propriétés des failles longtermes gouvernent clairement certaines propriétés des forts séismes. La maturité structurale des failles
est la propriété tectonique qui impacte le plus le comportement des forts séismes. Il est probable
qu’elle diminue la friction statique et la complexité géométrique du plan de faille. De fait, elle contrôle
en partie la localisation de la zone d’initiation du séisme ; elle définit la section de faille sur laquelle se
produit le glissement co-sismique maximum ; elle contrôle l’amplitude maximum du glissement
cosismique, ainsi que la direction de décroissance de ce glissement; elle dicte le nombre de segments
majeurs qui peuvent être rompus par l’événement, et par conséquent, elle contrôle la longueur totale et
la chute de contrainte globale de la rupture; elle contrôle la « capacité » de la rupture à se propager et
gouverne ainsi sa vitesse de propagation. Mes résultats suggèrent donc que les modèles de source des
séismes devraient être modifiés pour intégrer la maturité structurale des failles rompues ainsi que les
propriétés connexes comme la segmentation latérale des failles, leur architecture 3D et l’hétérogénéité
du volume crustal autour des failles (propriétés inélastiques). Les forts séismes devraient aussi être
considérés comme des ruptures 3D multi-segments, ayant donc des chutes de contraintes variables sur
la surface rompue, un mécanisme au foyer et une vitesse de rupture également variables le long de la
rupture, et une distribution 3D des contraintes et des déformations cosismiques. Pour comprendre le
comportement et la physique des forts séismes, il semble donc indispensable d’analyser conjointement
les propriétés des failles rompues et les propriétés des séismes produits.