Mesures géodésiques et modélisation de la convergence oblique au travers de failles transformantes. Application au bord Nord du Plateau Tibétain et à la Californie du Sud

par Simon Daout

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Marie-Pierre Doin, Anne Socquet et de Cécile Lasserre.

Soutenue le 21-11-2016

à Grenoble Alpes , 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 Philippe-Hervé Leloup.

Le jury était composé de Yann Klinger, Henriette Sudhaus.

Les rapporteurs étaient Ramon F. Hanssen, Bénédicte Fruneau.


  • Résumé

    Je me focalise sur trois grands systèmes de failles transformantes obliques au Tibet et en Californie du Sud, et ce, afin de mieux comprendre et quantifier les relations entre les différentes structures qui les définissent. L'interférométrie radar à Synthèse d'Ouverture (InSAR) dispose du potentiel pour cartographier et localiser précisément la déformation sur des zones étendues et ainsi contraindre la géométrie des structures profondes. Cependant son utilisation en milieu naturel se trouve fortement entravée par la décorrelation due à la végétation, au relief, et aux cycles de gel et dégel, mais aussi par les délais troposphériques et les rampes orbitales résiduelles. J'ai développé des méthodes pour palier ces limitations. Au Tibet, j'ai ainsi traité les archives du satellite Envisat au niveau de deux zones de lacune sismique, à la bordure Nord du plateau, se présentant comme des zones intéressantes pour étudier le partitionnement de la convergence: le système de faille de Haiyuan au north-est Tibet et la faille sénestre de l'Altyn Tagh, au nord-ouest du plateau. Une attention spécifique sur les déformations liées au pergélisol m'a permis de (1) retrouver la continuité du signal sur de grandes zones, (2) de quantifier le comportement temporel des cycles de gel et dégel des sédiments recouvrant le pergélisol, (3) d'isoler les zones stables des sédiments se déformant. Je montre que les déformations saisonnières sont fortement dépendantes des unités géomorphologiques et que la fonte du pergélisol est plus important à faible qu'à haute altitude. J'analyse aussi le signal saisonnier au travers la marche topographique et je définie un proxy pour les incertitudes de la correction atmosphérique. J'observe un gradient de déformation au travers la faille de l'Altyn Tagh de l'ordre de 11-15 mm/an et un alignement claire de la déformation dans le Tarim, parallèle à la faille de l'Altyn Tagh, ainsi que des soulèvements de l'ordre de 1 mm/an associés à des chevauchements. Ce travail montre aussi un gradient de déformation associé à la terminaison ouest de la faille du Kunlun, re-définissant ainsi la géométrie des blocs tectoniques dans cette région. Parallèlement à cette acquisition de données, je développe des outils d'inversion basés sur des algorithmes de Monte Carlo afin d'explorer l'ensemble des géométries en accord avec les observations et d'estimer la compatibilité de la déformation actuelle avec des modèles tectoniques long-termes. Je montre ainsi une convergence uniforme de 8.5-11.5 mm/an et d'orientation N81-98E à travers le système de faille d'Haiyuan et quantifie son partitionnement le long des différentes structures. Par ailleurs, j'applique mon approche en Californie du Sud, au niveau du « Big Bend » de la faille de San Andreas où, en analogie avec des modèles structuraux géologiques, j'utilise des lois de conservations du mouvement pour contraindre la géométrie des chevauchements aveugles. Je montre la compatibilité du champs de déformation actuel avec un décollement grande échelle et quantifie une accumulation de contrainte de 2.5 mm/an le long de la structure majeure sous Los Angeles.

  • Titre traduit

    Geodetic measurements and modeling of oblique convergence across transform faults. Application to the Northern Tibetan Plateau and to Southern California


  • Résumé

    I focus on three major oblique transform faults in Tibet and in Southern California, in order to better measure and quantify the present-day strain accumulation on these structures. Interferometric synthetic Aperture Radar (InSAR) has the potential to map and localize precisely the deformation over wide areas and thus constrain the deep geometry of these structures. However, its application in natural environments in hindered by strong decorrelation of the radar phase due to vegetation, relief, and freeze and thaw cycles, but also due to variable tropospheric phase delays across topographic feature and long-wavelength residual orbital ramps. Here, I develop methodologies to circumvent these limitations and separate tectonic from other parasite signals. In Tibet, I process data from the Envisat satellite archives, at the boundary of the Tibetan plateau, in two seismic gaps, which appear interesting to study the partitioning of the convergence: the Haiyuan Fault system in northeastern Tibet and the left-lateral Altyn Tagh Fault, in northwestern Tibet. A specific focus on the permafrost related deformation signal allows us to: (1) correctly unwrap interferograms from north to south, (2) quantify the temporal behavior of the freeze/thaw cycles, and (3) isolate bedrock pixels that are not affected by the permafrost signal for further tectonic analysis. I show that the seasonal subsidence depends greatly on the geological land unit and that lower elevations are thawing faster than higher elevations. I analyze the atmospheric signal across the high plateau margin and estimate proxy for the uncertainty on atmospheric corrections. I observe a strike-slip deformation of around 11-15 mm/yr across the Altyn Tagh fault, a clear line of concentrated strike-slip deformation of around 3 mm/yr within the Tarim basin, trending parallel to the Altyn Tagh Fault trace, as well as thrust signal uplifting terraces at a rate of 1 mm/yr. This work also shows a strain accumulation around the west extension of the south trace of the Kunlun Fault, redefining the block boundaries in northwestern Tibet. In parallel this data acquisition, I develop Monte Carlo inversion tools in order to explore the various geometries in agreement with observations and estimate the compatibility of actual surface displacements with long-term slip partitioning models. I thus show a uniform convergence rate of 8.5-11.5 mm/yr with a N81-98E across the Haiyuan fault system and quantify the partitioning along the various structures. I also apply my approach in Southern California, across the « Big Bend » of the San Andreas Fault, where, in analogy with structural geological models, I use conservation of motion to help constraining the geometry and the kinematics of blind thrust faults. I show the compatibility of surface displacements with a large-scale décollement and quantify a loading rate of 2.5 mm/yr along the major thrust structure developing under Los Angeles.


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