Imaging the Main Frontal Thrust in Southern Bhutan using high-resolution near-surface geophysical techniques : implications for tectonic geomorphology and seismic hazard assessment

par Dowchu Drukpa

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Rodolphe Cattin et de Stéphanie Gautier.

Soutenue le 23-11-2017

à Montpellier , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec Géosciences (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-François Girard.

Le jury était composé de Rodolphe Cattin, Stéphanie Gautier, György Hetényi, Ludovic Bodet, Laurent Bollinger.

Les rapporteurs étaient György Hetényi.

  • Titre traduit

    Imagerie géophysiques du chevauchement frontal Himalayen (MFT) du Sud Bhoutan : apports pour la géomorphologie et l'évaluation de l'aléa sismique


  • Résumé

    Des études récentes menées dans la région de Sarpang au sud du centre du Bhoutan estiment un taux de glissement Holocène de 20,8 +/- 8,8 mm/an sur le chevauchement frontal himalayen (TFT). Cette valeur est basée sur un taux de surrection moyen mesuré de 8,8 +/- 2,1 mm/an et en supposant pour ce chevauchement un pendage constant de 25° +/- 5°. La géométrie des failles est un paramètre clé dans l’estimation de la vitesse de glissement et donc dans l’évaluation de l’aléa sismique. Dans le cadre de ce travail, nous avons utilisé une approche géophysique de proche surface afin d’estimer précisément la géométrie de ce chevauchement.Nous avons déployé des profils géophysiques dans trois sites clés le long de la frontière sud du Bhoutan. La première zone d'étude se trouve à Sarpang, une petite ville située au centre du Bhoutan où nous avons effectué des mesures gravimétriques, sismiques et électriques. Le deuxième site est situé à Phuentsholing dans le sud-ouest du Bhoutan, où nous avons effectué des mesures gravimétriques et de résistivité électrique. Le troisième site est situé entre Sarpang et Phuentsholing, à Lhamoizingkha dans le district de Dagana.Excepté pour la région de Lhamoizingkha, une approche d'inversion stochastique a été adoptée pour analyser des données géophysiques collectées. Contrairement aux approches couramment utilisées basées sur la recherche du modèle le plus simple, les principaux avantages de cette approche sont sa capacité (1) à mieux estimer la géométrie des zones de discontinuité car aucun lissage n'est appliqué, (2) à fournir une mesure des incertitudes sur le pendage obtenu et (3) à permettre une analyse des relations possibles entre les propriétés géométriques et celles du milieu (résistivité électrique, vitesse ou densité).Les résultats d'inversion stochastique du site de Sarpang montrent un TFT qui se caractérise par une géométrie en plat-rampe-plat avec un pendage vers le nord d'environ 20°-30° dans la partie la plus superficielle (profondeur < 5 m), un pendage fort de 70° entre 5 m et 40 m de profondeur et un l'aplatissement avec un pendage de 20° au-delà de 40 m. Ces nouveaux résultats nous permettent d'estimer un taux minimal de glissement de 10 +/- 2 mm/an sur le TFT, soit environ 60% des 17 mm/an associés au taux de convergence GPS moyen obtenu en champ lointain. Sur la base de ces contraintes, il apparait donc qu’on ne puisse pas exclure la possibilité que la déformation soit distribuée sur plusieurs failles, comprenant le TFT, mais également d’autres chevauchements comme le MBT (au nord) ou le FBT (au sud). De plus, en supposant un taux de glissement constant, les variations de pendage obtenues induisent des variations du taux de surrection en fonction de la distance au TFT. Cela souligne les faiblesses des hypothèses couramment faites pour estimer les taux de glissement Holocène sur les failles sismogènes : (1) pendage constant estimé uniquement à partir des observations de surface et (2) estimations du taux de surrection en supposant une surrection identique pour une terrasse fluviale donnée.Contrairement à Sarpang, à Phuentsholing le TFT correspond au chevauchement frontal himalayen (MFT). Sur ce site, l’étude préliminaire que nous avons menée suggère un MFT ayant une géométrie de faille listrique. Des mesures de datations doivent maintenant être effectuées pour estimer le taux de glissement sur le MFT dans cette zone. Dans la région de Lhamoizingkha, l'emplacement exact du MFT n'est pas connu. Nos résultats préliminaires suggèrent une géométrie complexe de la trace de la faille en surface et indiquent que le MFT est situé plus au nord de la ligne de résistivité déployée dans cette zone. À l'instar du site de Phuentsholing (mais contrairement à Sarpang), nous avons observé que le MFT était la structure la plus frontale et que l’essentiel de la convergence dans cette zone pouvait être accommodé par le MFT, comme semble le suggérer les observations GPS.


  • Résumé

    Recent studies based on surface observations from Sarpang area in southern-central Bhutan have estimated the Holocene slip rate of 20.8+/-8.8 mm/year. This value is based on a mean vertical uplift rate of 8.8+/-2.1 mm/year and assuming a constant frontal thrust dip angle of 25°+/-5° extrapolated from structural measurements. Since geometry of the fault is a key parameter for discerning the slip rate and its associated seismic hazard assessment, we employed near-surface geophysical approach to accurately constrain the Topographic Frontal Thrust (TFT) geometry at shallow depth. Based on proven effectiveness of near-surface geophysical techniques for studying active faults, we adopted gravity, seismic and electrical resistivity tomography.We deployed geophysical profiles at three key sites along the southern frontal areas of the Bhutan Himalayas. The first study area is in Sarpang, a small town located in southern-central Bhutan where we performed all three geophysical methods adopted. The second site is located in Phuentsholing in the south-western Bhutan, where we performed gravity and electrical resistivity survey. The third site is located between Sarpang and Phuentsholing, in the sub-district of Lhamoizingkha under Dagana district.A stochastic inversion approach was adopted to perform analysis of geophysical data collected from the above sites expect for Lhamoizingkha area. Unlike commonly used approaches based on search for the simplest model, the main advantages of this approach include its ability (1) to assess the fault geometry because no smoothing is applied, (2) to provide a measurement of the uncertainties on the obtained dip angle and (3) to allow trade-off analysis between geometric and either electrical resistivity, velocity or density properties.The stochastic inversion results from Sarpang site show a TFT that is characterized by a flat and listric-ramp geometry with a north dipping dip angle of ca 20°-30° at the upper depth of 0-5 m, steeply dipping angle of 70° in the middle 5-40 m depth and flattening with a dip angle of 20° at deeper depths. These new results allow us to estimate a minimum overthrusting slip rate of 10+/-2 mm/year on the TFT, which is about 60% of the far-field GPS convergence rate of ca 17 mm/year. Based on these constraints we propose that, in Sarpang site, significant deformation partitioning on different faults including the TFT, the Main Boundary Thrust (MBT) and the Frontal Back Thrust (FBT) cannot be ruled out. More importantly, assuming a constant slip rate, the dip angle variations constrained from the present study, corresponds to variations in the uplift rate with distance from the TFT. This, therefore, emphasizes the drawbacks in assuming constant dip angle measured from surface observations and uplift rate estimates based on terrace dating only at the front, which may significantly bias the slip rate estimation.Unlike in Sarpang, the TFT corresponds to the Main Frontal Thrust (MFT) in Phuentsholing. At this site a preliminary study suggests a MFT characterized by a flat and listric-ramp geometry. With additional terrace dating information, slip rate for the Phuentsholing area will be performed in a near future. Overall based on the stochastic inversion results, we propose a MFT geometry similar to that observed in Sarpang but with possible lateral variations in terms of deformation partitioning. In Lhamoizingkha area, the exact location of the MFT is not known. Our preliminary results suggest a complex fault trace and indicate that the MFT is located further north of the current resistivity line deployed in this area. Similar to Phuentsholing site (but contrary to Sarpang), we observed that the MFT is the most frontal structure and therefore most of the convergence in the area could be accommodated by the MFT, which is also in agreement with GPS observations.


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