La rugosité des failles : analyse et conséquences sur l'hétérogénéité des ruptures sismiques

Roughness of fault surfaces : analyses and implications for the heterogeneity of seismic rupture

• Auteur / Autrice : Thibault Candela
• Direction : François Renard, Michel Bouchon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 23/03/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géodynamique des chaînes alpines (Grenoble ; 1961-2011) - Institut des Sciences de la Terre
• Jury : Président / Présidente : Jean Schmittbuhl
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karen Mair
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Klinger, Raúl Madariaga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séismes

Failles (géologie)

Rugosité

Mots clés libres

Rugosité

Séisme

Faille

Roughness

Earthquake

Fault

Résumé

Les aspérités géométriques d'un plan de faille contrôlent en partie toutes les étapes de la rupture sismique, depuis sa nucléation jusqu'à l'arrêt du séisme. L'objectif de ce travail est de caractériser la morphologie des surfaces de faille sur la large gamme d'échelles spatiales impliquées dans les tremblements de terre, puis d'explorer son influence sur l'organisation spatiale du glissement et des contraintes. L'approche utilisée inclue des observations de terrain couplées à une étude numérique et théorique. La combinaison de méthodes récentes de mesures topographiques (LiDAR, rugosimètre laser, interféromètre à lumière blanche), qui couvrent des gammes d'échelles spatiales complémentaires, permet de proposer un modèle géométrique cohérent de cinq zones de failles étudiées (Alpes françaises, Apennins, Turquie, Californie, Nevada). La rugosité des surfaces de failles montre des propriétés de dépendance d'échelle, et plus précisément suit un régime auto-affine anisotrope (l'exposant de rugosité est Hpara = 0.6 dans la direction du glissement et Hperp = 0.8 dans la direction perpendiculaire) depuis la centaine de micromètres jusqu'à plusieurs dizaines de mètres. En complément, l'analyse de la rugosité des ruptures de surface de huit tremblements de terre continentaux majeurs montre qu'un unique régime auto-affine anisotropique et sans longueur caractéristique est maintenu jusqu'à l'épaisseur de la croute sismogénique. Cette description de la géométrie des surfaces de failles et des traces de ruptures, est indépendante du contexte géologique. Plus particulièrement, cette étude met en avant que dès lors qu'un glissement cumulé métrique est atteint sur une faille, la complexité géométrique des portions actives des zones de failles est maintenue quel que soit le déplacement supplémentaire accommodé. Finalement, motivé par des observations de terrain, il est proposé que le processus dominant à l'origine de la rugosité des surfaces de failles puisse être l'interaction mécanique et la coalescence de segments multi-échelles. Deux conséquences émergent de cet état de rugosité. Les distributions spatiales du champ de glissement d'une part et du champ des contraintes lors d'un tremblement de terre d'autre part peuvent être expliquées par la présence de deux interfaces rugueuses auto-affines pressées élastiquement et cisaillées. Notamment, en utilisant un modèle numérique de propagation d'une rupture sur une interface hétérogène, la corrélation entre la rugosité 3-D des failles et la distribution spatiale 2-D du glissement dans le plan est clarifiée. Il est proposé que les hétérogénéités spatiales du glissement visibles sur les modèles cinématiques de rupture sismique soient préférentiellement dominées par les complexités géométriques locales plutôt que par la dynamique du front de rupture lui-même. Par ailleurs, les propriétés auto-affines des lèvres de la faille impliquent que les fluctuations spatiales de la chute de contrainte lors d'un séisme augmentent vers les courtes longueurs d'ondes ; ce qui est confirmé par des observations sismologiques. En considérant un modèle de rupture en cascade, il est alors probable que les failles sont fortement inhomogènes, avec des grands tremblements de terre composés d'une somme de petites aspérités multi-échelles qui subissent de fortes chutes de contrainte. Cette étude met en lumière l'importance des hétérogénéités locales en contrainte et en glissement dans la mécanique des tremblements de terre, et propose de les relier à des propriétés morphologiques self-affines de la surface de faille.

Geometrical asperities on fault planes partially control all stages of earthquake genesis, from the nucleation of a rupture, to its arrest. The present study aims at characterizing the geometrical morphology of fault surfaces on the wide range of spatial length scales involved in earthquakes, and exploring its influence on the spatial organization of slip and stresses during an earthquake. The approach combines field observations, numerical analysis and theory. Using recent methods of high resolution topographic measurements (LiDAR, laser profilometer, white light interferometer), spanning complementary ranges of spatial length scales, a consistent geometrical model emerges for the five fault zones (French Alps, Apennines, Turkey, California, Nevada) studied here. The morphology of the fault surface, i.e. its roughness, is scale dependent, and more specifically follows a self-affine anisotropic regime (the roughness exponent is Hpara = 0.6 in the slip direction and Hperp = 0.8 perpendicular to it) from the scale of hundred of micrometers to several tens of meters. In addition, the roughness analysis of the surface rupture of height major continental earthquakes shows that a single self-affine regime is maintained up to the thickness of the seismogenic crust, without any characteristic length scale. This description of the geometry of the fault scarps and rupture traces is independent of the geological context. More particularly, this study highlights that once a fault has achieved a cumulated a small offset no larger than one meter, the roughness of the active portion of the fault zone is maintained even if further slip is accommodated. Finally, motivated by field observations, it is proposed that the main process causing the roughness of fault surfaces can be the mechanical interaction and coalescence of multi-scale segments. Based on a numerical and theoretical approach, the spatial distribution of both the slip and stress fields during an earthquake can be understood by the presence of two self-affine rough interfaces elastically squeezed and sheared. Using a numerical model of rupture propagation on a heterogeneous interface, the link between the 3-D fault roughness and the 2-D spatial distribution of the slip is clarified. It is proposed that the spatial heterogeneity of the slip observed on kinematic models of earthquake rupture is preferentially dominated by the local geometrical complexity rather than the dynamic of rupture itself. Moreover, the self-affine properties of the fault interfaces imply that the spatial fluctuations of the stress drop after a rupture event increase towards shorter wavelengths. Considering a rupture cascade model, it is likely that the faults may be considered as highly inhomogeneous with large earthquakes composed by a sum of multi-scales ruptures of small asperities with large stress drop within an average fault surface with small stress drop. This study emphasizes the importance of local stress and slip heterogeneities on the mechanics of earthquakes and proposes to relate these parameters to the self-affine morphology of the fault surfaces.