Intitulé du sujet

PROPOSITION DE THESE
du 15 Février 2010
Intitulé du sujet :
Vers une nouvelle vision de la rupture co-sismique : mesure de l’endommagement du milieu
lors de la rupture et recherche des mécanismes de diffusion co-sismique volumique.
Sujet :
Un nombre croissant d’observations suggèrent qu’un séisme ne rompt pas seulement un plan (ou une
série de plans le long d’une zone étroite) comme supposé jusqu’à présent, mais également un large
volume autour de ce plan (Cappa, 2009; Fielding et al., 2009 ; Manighetti et al., 2005, 2004 ; Andrews,
2005 ; Dalguer et al., 2003 ; Poliakov et al., 2002 ; McGarr and Fletcher, 2002). Si tel est le cas, nous
devons admettre qu’il existe des mécanismes capables de diffuser instantanément une part
importante de déformations et de contraintes dans le volume adjacent au plan principal rompu. Ceci
ferait de la rupture co-sismique un processus volumique 3D, tandis que les propriétés du milieu rompu
seraient nécessairement hétérogènes et non-linéaires, puisqu’évoluant rapidement dans le temps et
dans l’espace. Le sujet de thèse vise à examiner ces hypothèses nouvelles en confrontant
observations et modélisations numériques. Un préalable est de parvenir à détecter et mesurer les
éventuelles déformations co-sismiques volumiques. La géodésie spatiale haute résolution (InSAR et
GPS haute fréquence) est l’un des rares outils susceptibles de permettre la mesure de déformations à
la fois de très faible amplitude et de grande étendue spatiale, comme celles que nous recherchons.
Nous utiliserons donc ces deux techniques. Si des données sismologiques en champ proche sont
disponibles, nous tenterons également d’exploiter l’information qu’elles sont susceptibles de contenir
sur les variations temporelles rapides des vitesses des ondes dans le milieu (Brenguier et al., 2008).
Dans un premier temps, nous travaillerons sur certains séismes ‘aveugles’ pour lesquels des données
sont disponibles. En effet, certains séismes majeurs récents (ex : Tottori 2000, Bam 2003) n'ont pas
rompu la surface bien qu’ils aient produit de forts déplacements à faible profondeur (plusieurs mètres
à moins de 1 km de profondeur pour Tottori, Semmane et al., 2005). Bien que l’absence de traces de
surface puisse refléter l’absence réelle de déformation dans le niveau superficiel (par exemple du fait
de l’existence d’une barrière superficielle arrêtant la déformation), il est plus probable qu’elle traduise
la diffusion de la déformation co-sismique dans un vaste volume endommagé autour du (ou des) plan
rompu. Nous examinerons donc cette hypothèse, en nous focalisant sur quelques séismes aveugles
bien documentés (par exemple Tottori, Japon 2000 ; Bam, Iran 2003 ; Boumerdes, Algérie 2003).
Dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à des séismes plus ‘classiques’, c’est-à-dire ayant
rompu la surface (séismes de Californie, L’Aquila 2009, Chi-Chi 1999,…). Pour chacun des séismes
cibles choisis, nous commencerons par analyser les images satellitaires optiques haute résolution
couvrant les zones rompues, afin de rechercher d’éventuelles traces de surface autour des zones
principales rompues, et de caractériser la géométrie et la segmentation des failles long-terme
impliquées par les ruptures. Nous examinerons ensuite les variations temporelles des taux de
déformation dans la zone rompue à partir de données co-sismiques et post-sismiques InSAR, GPS
(Fielding et al., 2009) et sismologiques (Brenguier et al., 2008). A partir de l’ensemble des données,
notre objectif sera de discriminer les déformations causées par des processus post-sismiques connus
de celles résultant éventuellement de processus co-sismiques de diffusion ou dilatation (i.e.
engendrant de la compaction après le séisme). Des modélisations numériques seront réalisées pour
analyser les données in situ et tester différents scénarios de transferts de contrainte et de déformation
dans les zones de faille et le volume endommagé environnant dont la structure interne rendra compte
de l’hétérogénéité des propriétés.
Le candidat travaillera donc à l’interface entre géodésie spatiale Insar et GPS, modélisation
hydromécanique, sismologie et tectonique active. Il est donc souhaité qu’il ait de bonnes
connaissances dans ces domaines, et des facilitées à appréhender les méthodes numériques de
traitement d’images (InSar, corrélation d’images optiques).
Il est envisageable, mais non requis, que le sujet de thèse commence au préalable par un stage M2R
dédié à une première partie réduite du travail.
Références :
Andrews, D. J., 2005. Rupture dynamics with energy loss outside the slip zone, J. Geophys. Res.,
110, B01307, doi:10.1029/2004JB003191.
Brenguier F., Campillo M., Hazdziioannou C., Shapiro N.M., Nadeau R.M., Larose E., 2008.
Postseismic relaxation along the San Andreas fault at Parkfield from continuous seismological
observations, Science, 231:1478-1481.
Cappa F., 2009. Modeling fluid transfer and slip in a fault zone when integrating heterogenous
hydromechanical characteristics in its internal structure. Geophy J Int, 178, 1357–1362, doi :
10.1111/j.1365-246X.2009.04291.
Dalguer, L. A., K. Irikura, J. D. Riera, 2003. Simulation of tensile crack generation by threedimensional dynamic shear rupture propagation during an earthquake, J. Geophys. Res., 108(B3),
2144, doi:10.1029/2001JB001738.
Fielding E.J, Lundgren P.R., Burgmann R., Gareth J., 2009 Shallow fault-zone dilatancy recovery after
the 2033 Ban earthquake in Iran, Nature 458 :64-68
Manighetti, I., G. King, and C. G. Sammis, 2004. The role of off-fault damage in the evolution of
normal faults, Earth Planet. Sci. Lett., 217, 399– 408, doi:10.1016/S0012-821X(03)00601-0.
Manighetti, I., M. Campillo, C. Sammis, P. M. Mai, and G. King (2005), Evidence for self-similar,
triangular slip distributions on earthquakes: Implications for earthquake and fault mechanics, J.
Geophys. Res., 110, B05302, doi:10.1029/2004JB003174.
McGarr, A., and J. B. Fletcher (2002), Mapping apparent stress and energy radiation over fault zones
of major earthquakes, Bull. Seismol. Soc. Am., 92, 1633– 1646.
Poliakov, A. N. B., R. Dmowska, and J. R. Rice, 2002. Dynamic shear rupture interactions with fault
bends and off-axis secondary faulting, J. Geophys. Res., 107(B11), 2295, doi:10.1029/2001JB000572
Semmane, F., F. Cotton, and M. Campillo, 2005. The 2000 Tottori earthquake: A shallow earthquake
with no surface rupture and slip properties controlled by depth, J. Geophys. Res., 110, B03306,
doi:10.1029/2004JB003194.
Encadrants :
Frédéric Cappa
Géoazur – Sophia-Antipolis
[email protected]
04 92 94 26 57
Isabelle Manighetti
Géoazur
[email protected]
Autres intervenants: Mathilde Vergnolle – Jean-Mathieu Nocquet – Laurent Stehly (Géoazur)
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