Morphotectonique et datations

Cours M1 – 27 Mars 2012 - Montpellier
Dr J-F. Ritz - Laboratoire Géosciences Montpellier
Morphotectonique et datations
Introduction
Pourquoi étudier la morphotectonique (géomorphologie tectonique)
Tectonique active
Que dit la sismologie ?
Photo H. Philip
Photo J-F Ritz
100 ans d’enregistrement
Spitak, 1988, M 6.9
Gobi-Altay, 1957, M 8.1
Mozambique, 2006, M 7.2
Darfield, 2010, M 7.1
Bam, 2003, Mw 6.5
Photo C. Fenton
Forts séismes également
loin des limites de plaques
Escarpements de failles / pas de séismes (ni instrumental, ni historique)
Faille de Sunnik (Arménie)
Faille de Tunka (Sibérie)
cycle sismique > 1000 ans
Faille Little Rough Ridge (NZ)
(e.g. domaine intracontinental)
Pour quantifier la tectonique active, il est nécessaire d’étudier les marqueurs
géologiques (géomorphologiques) sur des périodes de temps plus longues (10.000 – 100.000 ans)
Faille de Mejillones (Chili)
Approche complémentaire : détermination de la vitesse des failles par GPS
Carte montrant le déplacements
De stations GPS dans la région
Mongolie-Baikal
Faille de
Bolnay
Calais et al., 2003
~2 mm/a
Vergnolle et al., 2003
GPS
vitesses instantanées
Questions :
vitesses instantanées = vitesses long terme ?
Magnitudes et intervalles de récurrence des séismes ?
L’étude des séismes – les différentes approches
Géodésie
Chargement intersismique
Source (localisation, magnitude, mécanisme)
Sismicité
Instrumentale
Sismicité
historique
Morphotectonique - Paléosismologie
(géologie des séismes)
Source (localisation, magnitude, mécanisme, vitesse, récurrence
10
102
années (log)
103
104
105
Fenêtre de temps suffisamment large permettant
la détection, la mesure et l’analyse statistique des déformations cumulées
Morphotectonique
Tâches principales :
- Cartographie des failles actives: détection, géométrie, cinématique
- Vitesse de déplacement
- Magnitudes des séismes (« caractéristique » ou non ?)
- Intervalles de récurrence des séismes (paléosismologie)
Objectifs :
-Quantifier l’aléa sismique ( Où ? Quelle Magnitude ? Quelle fréquence ?)
(carte PGA)
- Comprendre et modéliser la géodynamique actuelle
I – Rappel
II – Morphotectonicque
III – Méthodes de datation
Période
intersismique
Période
co-sismique
Théorie
du rebond
élastique
(Reid, 1909)
Sismicité (instrumentale 1960 – 2012)
Mécanismes aux foyers
Choc principal
et répliques
Séisme de Darfield
(sept 2010, NZ)
Earthquake and surface rupture
M > 6 : surface rupture
M < 6 : no surface rupture
Earthquakes surface effects
rockfall
landslide
tsunami
Surface rupture
liquefaction
(after J-C Bousquet)
Surface rupture vs erosion or sedimentation
Atacama, Chile (preserved)
McCalpin & Nelson, 1996
Courthézon, France (buried)
Magnitude Mw / Rupture dimensions
Rupture length (km) Displacement (m) Magnitude (Mw)
800
8
9
250
5
8
50
1
7
10
0.2
6
3
0.05
5
1
0.02
4
Mw = 2/3 log M0 – 6.1
M0 = μ*S*d N.m
with μ = 3.1010 N.m-2 (ou Pa)
and S = L x l m2
Wells and Coppersmith, BSSA 1994
Wells and Coppersmith, BSSA 1994
Wells and Coppersmith, BSSA 1994
Wells and Coppersmith, BSSA 1994
Loi Gutenberg-Richter (relation de recurrence) / Séisme caractéristique
Log N = a – bM ,
(b ~1)
Log N
~½ M
séisme caractéristique
M
N : nombre de séismes ≥ M par unité de surface et unité de temps
(e.g. nbre de séismes par an et par 1000 km2)
Surface rupture can be large, segmented and complex :
e.g. Surface ruptures associated with the 1957, Mw 8.1 Gobi-Altay earthquake
(Kurushin et al., 1997)
260 km of left-lateral strike slip faulting
+ 100 km of reverse faulting
= 360 km of surface breaks in one event (several segments)
Reid, 1910
« characteristic » earthquake or not ?
Schwartz and Coppersmith, 1984
Imperial Fault, USA
Lindvall et al, 1989
Sharp, 1982
Example along the Bogd fault
100 m
Constant dislocation 5 +/- 0.5 m
Ritz et al., 2003
Rizza et al., 2008
Cf Sieh, 1996
The « characteristic earthquake model » does not apply at the whole system of
ruptures (breaking during a large event) but at the different segments.
I – Rappel
II – Morphotectonicque
IV – Methodes de datation
Morphotectonics - approach
1. Detecting
Observation of morphotectonic markers : fault scarps, offset
terrasses, moraines, cônes, talwegs.. , drainage deviation
using::
Satellite images, aerial photos, topographic maps, Digital elevation
Models, « natural cross-sections », InSar
2. Quantifying (in the field)
Measurements of displacements (total station, kinematics GPS,
photogrammetry….)
Dating markers (morphologic, stratigraphic)
3. Interpreting (Model of the tectonic activity)
Slip rates, recurrence intervals of earthquakes, earthquake probability
Cumulated displacements along the San Andreas fault = several fauting events
How would you proceed to estimate a slip rate ?
Look for the fault !
Satellite Image
30 km
Geometry and kinematics
Middle-scale observation : aerial photos (1/10.000 – 1/50.000)
N
1km
Spot image : Bogd fault, Mongolie
10 km
Bogd fault (Mongolia)
100 m
Look for the cumulative offset of fan apexes and drainage
Geometry, kinematics - Middle-scale analysis : aerial photos (1/10.000 - 1/50.000)
Bogd fault, Gobi-Altay (Mongolia)
N
1 km
Ritz et al., 1995
Détermination de la vitesse de la faille d’Astaneh, Iran
Rizza et al., 2011
Central Otago, New Zealand
(any sign of activity ? )
Active folding in Otago
(New Zealand)
Deviation of the drainage network
Jackson et al., 2002
Valley of lake, Norh of Baga Bogd massif , Gobi-altay (Mongolia)
What are these hills ?
3D Analysis - Large-scale Digital Elevation Model
So ?
Gigantic landlide (50 km3 ) Baga Bogd, Gobi-Altay, Mongolia
SPOT
4km
Philip & Ritz, 1999
S
10 km
N
5 km
3D analysis : Digital Elevation Model (DEM)
20 km
Thenia (Algeria)
Boudiaf et al., 1999
Deviation of the river Isser due to the eastwards propagation
of the Thenia hidden thrusting fault
3D analysis - Digital Elevation Model (DEM)
Taleghan fault (Iran)
N
5 km
Dip towards the South
Normal component
S
Nazari , thèse 2006
Nazari et al., GJI, 2009
Measuring displacements, determining kinematics
How many offset surfaces ? What are the vertical displacements ?
Mapping morphological markers
Ritz et al., 2003
Topographic profiles - DEM at small scale ( field 1/1 – 1/100)
Measurments of displacements, detailed kinematics analysis
1990s : Theodolithe + Distancemeter
(now optical or total station)
2000s : Real Time Kinematics (RTK) GPS
Vertical displacements along topographic profiles
Ritz et al. JGR 2003
Nazari,Ritz et al. GJI 2009
Mosha fault (Iran) – What is its kinematics ?
W
E
A
B
C
100 m
Panoramic view of the fault scarp
Ritz et al., 2003
Topographic map obtained from GPS RTK survey (red dots)
Ritz et al., 2003
C
B
A
DEM - 3D VIEW
A
B
C
Ritz et al., 2003
Ritz et al., 2003
Calculation of the geometrical parameters
C
B
A
N
Dip
70+/-5°N
Azimuth:
N105+/-5°E
Ritz et al., 2006
Mosha fault
Ashtari et al, 2005
Comparison with focal mechanisms
from microseismicity
N110E 70N 32W S
Ritz et al. 2003.
Calculation of fault mechanism (pich/rake)
Dating methods
Methodes
Time period
material
Bio-geochimical
Dendrochronology
Tephrochronology
~10 ka,
0- x Ma
wood
ashes
Paleomagnetic
Inversions
Secular variations
> 700 ka
0-700 ka
Fine deposits, lava flows
Radio-isotopic
39Ar/40Ar
14C
U/Th
Thermoluminescence
Optic. Stimul. Luminescence
2 Ma and +
35 ka
10-350 ka
300 ka
300 ka
Basaltes, ashes
Peat, charcoal, bones, Shell
Carbonates (coraux, speleothemes)
Quartz
Quartz and Feldspaths
Cosmogenic: (in situ)
10Be, 26Al
3He, 21Ne
36Cl
< 1 Ma
unlimited
< 1 Ma
Quartz
Olivine, pyroxene
Carbonates
Exemple: Determining slip rates (dating offset morphotectonic markers)
Research topic initiated in 1970s –1980s :
e.g. Wallace, 1968; Sieh and Jahns, 1984; Wenousky et al., 1984; …
Bogd fault, Gobi-Altay (Mongolia)
1 km
Dating morphotectonics markers using in situ-produced 10Be
Cosmic rays surface exposure age
e.g. Raisbeck et al., 1987 (SMA - Tandétron); Lal, 1991 (production rates)
First application in Geology: dates of moraines in Antartica
e.g. Brown et al., 1991
First application in morphotectonics: calculation of slip rate along fault
e.g. Bierman et al., (Science 1995) - Owens valley fault (EU)
Ritz et al., (Geology 1995) - Bogd fault (Mongolia)
Vitesse long terme : 1.2 mm/a
Principles of « 10Be method »
10Be
2m
concentration / time
2m
Carretier, 2000
ερ
ρx
0
P
−(λ + )t
−
C(x,t)=C(x,0)×e−λt +
×e Λn ×(1−e Λ )
ερ +λ
Λ
C(x,0) : concentration initiale
P0 : production en surface
λ : constante de décroissance radioactive du
10Be (4,62.10-7 an-1)
ρ : densité de la roche (g/cm3)
x : profondeur (cm)
Λ : longueur d’atténuation des particules
ε : taux d’érosion (g/cm2/an)
t min = -
1
λ
× Ln(1-
λC(0,t)
P0
)
P0
ε =(
- λ) × Λ
C(0,∞) − C0
Braucher, 1998
Determining the vertical slip rate along the Gurvan Bulag fault
Vertical slip rate along the Gurvan Buld thrust fault (Gobi-Altay, Mongolia)
Ritz et al., 2003
Acceleration of the activity
along the fault between the
Pleistocene sup.
and the Holocene
The pre-exposure issue:
Analyse of 10Be distribution at depth
Gurvan Bulag 1996
Ritz et al., JGR 2003
Depth : 2 m
Sampling Δz = ~ 25 cm
Better to collect amalgames !
pedology
Gurvan Bulag (Gobi-Altay)
Noyan Uul (Gobi-Altay)
Vassallo et al, Terra Nova 2005
C
n
it o
au
Inherited 10Be (pre-exposure) : 0.2 x 106 - 0.3 x 106 at/gr
Allows the correction of the surface concentration
Optically stimulated Luminescene (OSL)
e.g. Berger et al., 1988; Ollerhead et al., 1994
Samples :
silt – sand (colluvial, alluvial)
containing Qz or Feldspar
FAILLE
7.8 +/- 0.8 ka
Avagyan, 2001
Post-dating the last event along the Sunnik fault with OSL
(Post)dating the Baga Bogd gigantic landslide (Mongolia)
Age des premiers dépôts
Lacustres postérieurs
au glissement :
100 +/- 10 ka
Balescu et al., 2007
Morphological dating
of fault scarp
Morphological dating of fault scarps
e.g. Nash, 1980; Hanks et al., 1984
Diffusion equation :
∂h =K ∂2h
∂t
∂x2
K diffusivity, h height, t time, x distance
Carretier, 2000, Carretier et al, 2002
Surface 10Be age
4.1 +/- 0.7 ka
Calibration
K = 3.3 +/- 1.7 m2 ka-1
Allow
dating other scarps
Diffusive age of the fault scarp