Méthodes télésismiques d'estimation de la profondeur des séismes : développements et applications

par Jean Letort

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Fabrice Cotton et de Jocelyn Guilbert.

Soutenue le 11-07-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Campillo.

Le jury était composé de Adrien Oth, Jérôme Mars, Kévin Manchuel.

Les rapporteurs étaient Michel Cara, Martin Vallée.


  • Résumé

    Cette thèse traite de l'étude de la profondeur des séismes modérés (4 < M < 5.5), à travers l'utilisation de données telesismiques, c'est à dire à partir d'enregistrements de sismographes situes a des distances de 3000 jusqu'à 9000 km de la source. L'estimation de la profondeur d'un séisme s'obtient en comparant les temps d'arrivée de l'onde directe (P) générée par ce séisme, avec ceux des ondes réfléchies sur la surface de la Terre, au-dessus du foyer du séisme (les phases de profondeur pP, sP). Nous utilisons le réseau du CTBTO (Comprehensive Test-Ban-Treaty-Organization, composé de mini-réseaux (10-20 sismographes), nous permettant de développer deux nouvelles méthodes d'estimation de la profondeur. La première est une inversion complète du mécanisme au foyer, simultanément a la profondeur. La seconde est une méthode d'analyse spectrale : le cepstre. A l'aide d'exemples de séismes en zone intracontinentale, nous montrons que ces deux méthodes sont complémentaires et qu'elles apportent une information nouvelle sur l'estimation de la profondeur pour les séismes de régions peu instrumentées. Dans un second temps, une optimisation de la méthode cepstrale a permis d'étendre l'estimation de la profondeur a l'utilisation de stations isolées provenant du réseau mondial IRIS. Cette nouvelle méthode, complètement automatique, a permis de localiser en profondeur les séismes de magnitude supérieure à 4.5 pour la zone de subduction de Guerrero (Mexique). Nous avons ainsi mis en évidence une répartition homogène des profondeurs des séismes dans la zone du gap de Guerrero. En combinant ces estimations de la profondeur de l'interface avec celles obtenues a l'aide d'une relocalisation de l'ensemble de la sismicité (par la méthode de l'ISC-Locator), nous proposons une imagerie de la géométrie de la subduction. Nous avons ensuite étudié l'influence de la profondeur sur les propriétés sismiques des séismes. En particulier, nous avons évalué la relation entre la profondeur et la chute de contrainte pour les séismes récents et modérés de la plaine du Pô, en Italie. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur le réseau accéléromètrique régional de l'INGV Milan pour estimer les spectres sources de ces séismes, puis en déduire les fréquences coins et les chutes de contraintes associées. Ces spectres sources s'obtiennent à l'aide d'une méthode d'inversion qui sépare simultanément l'effet de l'atténuation, les effets de sites et l'effet de la source sur les spectres des ondes S, générées par les séismes et enregistrées en surface par les accéléromètres. Après inversion, nous trouvons une faible augmentation de la chute de contrainte avec la profondeur.

  • Titre traduit

    Study of the earthquake's depth effect on the weak and moderate earthquakes properties and on seismic movements


  • Résumé

    This thesis deals with depth estimations of moderate earthquakes (4 < M < 5.5), observed through the use of teleseismic data. At teleseismic distances (from 3000 to 9000 km), estimations of earthquake depths come from the estimation of the delays between the arrival time of the direct P-wave and the arrival times of the waves which have been reflected on the surface above the source (known as : depth phases pP and sP). The CTBTO (Comprehensive Test-Ban- Treaty-Organization) monitoring system allows the detection of these teleseismic phases for weak events, with magnitudes below 5, since this global network is composed by arrays (10-20 close single stations, in the same location). Using this network, two methods were developed for teleseismic depth estimation. First, a depth-phase recognition method is applied, based on a new improved cepstral analysis. In addition, we have developed a focal mechanism genetic algorithm inversion. We have applied these two methods for earthquakes occurring in intracontinental areas and we have proved that these new depth determinations provide new and complementary information about the source for barely instrumented areas. We have also developed another method, completely blind and automatic, which consists in an improvement of the cepstral analysis. The reliability of this method to improve depth estimation has been proved by relocating the recent moderate seismicity of the Guerrero subduction area (Mexico). In the Guerrero area, this cepstral analysis efficiently clusters event locations. We then use teleseismic waves reflected on the subduction interface to evaluate the depth of the interface above the focal hypocenter, which allows to specify the subduction interface geometry. We have finally conducted an exhaustive analysis of the depth distributions, based on a relocalization of the ISC catalogue using the new ISC-Locator algorithm and we provide an improved image of the subduction. Finally, we have conducted a study of the relationship between earthquake depths and seismic properties. In particular, we have focused on the burning issue about the links between stress drops and focal depths. We have found an interesting case study with the Po Plain recent seismicity (Northern Italy). Brune's stress drops and magnitudes have been estimated from a generalized parametric inversion using the regional accelerometric network from INGV Milano. We have shown that there is only a slight dependency between stress drops and earthquake depths in the Po Plain.


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