Amélioration des modèles prédictifs de séismes pour le PSHA grâce aux données géodésiques

par Judith Mariniere

Projet de thèse en Terre Solide

Sous la direction de Céline Beauval.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 09-01-2017 .


  • Résumé

    Une des actions majeures visant à réduire les risques sismiques dans un pays exposé aux tremblements de terre est de construire parasismique. Les ingénieurs de structure conçoivent des bâtiments afin qu'ils puissent résister aux mouvements du sol de référence. L'objectif de l'évaluation probabiliste de l'aléa sismique (PSHA) est de fournir ces mouvements de référence, en estimant les probabilités d'occurrence des mouvements du sol pour un intervalle de temps donné. Le PSHA repose sur deux types de modèles : un modèle prédictif des séismes, long terme, fournissant les probabilités d'occurrence de tous les séismes impactant la région d'étude, et des équations de prédiction de mouvement du sol fournissant des probabilités de dépassement de mouvements du sol. Le but du doctorat est d'améliorer les modèles de récurrence de séismes en incluant les mesures géodésiques, avec application à l'Equateur, un pays exposé à une forte sismicité crustale superficielle et des méga-séismes à l'interface de subduction. Depuis l'avènement de la méthodologie PSHA dans les années soixante-dix, le modèle de Gutenberg-Richter a été largement utilisé pour modéliser la récurrence des séismes à partir des catalogues de sismicité. Ce modèle prédit une décroissance exponentielle du nombre de séismes en fonction de la magnitude. Les catalogues de sismicité construits pour le PSHA incluent tous les événements historiques et instrumentaux connus dans une région, et sont caractérisés par une grande disparité dans la qualité et la complétude entre les périodes historiques et instrumentales. Le modèle repose habituellement sur les taux des magnitudes faibles à modérées, principalement dans la période instrumentale (environ 50 ans), extrapolés jusqu'à la magnitude maximale. Ce modèle repose sur des hypothèses très fortes et ne devrait être considéré que comme l'un des modèles possibles. Des modèles alternatifs basés sur d'autres types de données doivent être recherchés. L'inversion des données géodésiques fournit des taux de déformation des structures tectoniques, à l'échelle d'une région géographique étendue, ou pour un système de faille spécifique. En outre, la géodésie permet également d'évaluer le relâchement des contraintes à travers des procédés asismiques, en mettant en lumière le comportement des failles et leur capacité à générer des tremblements de terre importants. L'étudiant en thèse évaluera la capacité des données géodésiques à fournir d'autres modèles prédictifs de séismes pour le PSHA. Ce travail a été amorcé par quelques équipes dans le monde depuis une dizaine d'années, via l'estimation des taux de déformation à l'échelle d'une grande zone géographique, ou via l'estimation des taux de glissement pour les systèmes de failles (par exemple, au Canada, Mazzoti et al., 2011 ; en Italie, Slejko et al. ou en Californie, Field et al., 2014). Cependant, pour l'instant, l'inclusion des données géodésiques est considérée comme encore trop expérimentale pour une mise en œuvre pratique (par exemple pour l'estimation du risque sismique d'une centrale nucléaire, McCann et al., 2014). Il est nécessaire d'identifier toutes les incertitudes qui caractérisent l'interprétation des taux de déformation en termes de libération de moment sismique total, et d'estimer l'impact de ces incertitudes sur le PSHA. En particulier, les limites inhérentes à la densité des stations GPS dans l'espace et à la longueur de la fenêtre d'observation temporelle, l'interpolation des taux de glissement le long des failles et l'estimation difficile de la composante asismique du glissement sont des aspects qui méritent une attention particulière. Le doctorat comprendra un aspect théorique consistant à évaluer les différentes méthodes proposées, à examiner en profondeur les limites et les incertitudes liées à chaque méthode et à proposer des méthodes solides pour inclure les données géodésiques. Le panel de modèles de récurrence sismique considérés sera large, des modèles time-dependent seront testés. Le doctorat aura comme région d'application l'Équateur, où une collaboration de dix ans entre l'Institut géophysique de Quito, les laboratoires ISTerre et Géoazur assure un modèle de départ pour le PSHA (Beauval et al 2014, Yepes et al 2016), l'accès aux données sismiques (Beauval et al., 2010 et 2013 et Font et al., 2013) et géodésiques (Nocquet et al., 2014, Chlieh et al., 2014), une expertise sur les systèmes de failles actives (Alvarado et al., 2014, 2016, Baize et al. Al., 2013) et un environnement scientifique solide au sein du Laboratoire international mixte SVAN. L'arbre logique qui sera construit pour le modèle prédictif de séismes intégrera les incertitudes épistémiques et sera représentatif d'une meilleure connaissance (mais encore incomplète) du potentiel sismique de l'Équateur.

  • Titre traduit

    Improving earthquake forecast models with geodetic data


  • Résumé

    One major action to mitigate seismic risk in an earthquake-prone country is to build earthquake-resistant infrastructures. Structural engineers design buildings so that they can withstand ground motions of reference. The objective of Probabilistic seismic hazard assessment (PSHA) is to deliver these ground motions of reference, by estimating the probabilities of occurrence of ground motions for a given timespan. PSHA relies on two sets of models: a long-term earthquake forecast model providing probabilities of occurrence of all damaging earthquakes in a region, and ground-motion prediction equations providing probabilities of ground-motion exceedances. The aim of the PhD is to improve the earthquake recurrence models by including information from geodetic measurements, with an application to Ecuador, a country exposed both to shallow crustal earthquakes and megathrust subduction events. Since the advent of the PSHA methodology in the seventies, the Gutenberg-Richter model has been widely used to model earthquake recurrence from past seismicity, predicting a linear decrease of the number of earthquakes with increasing magnitude. The earthquake catalogs built for PSHA include all known historical and instrumental events in a region, with a strong discrepancy in quality and completeness between historical and instrumental periods. The model usually relies on the rates of frequent low-to-moderate magnitudes, mostly in the instrumental period (~50 years), extrapolated up to a maximum magnitude. The hypotheses behind this model are questionable and it should be considered only as one of the possible models. Alternative models based on other type of data must be looked for. Inversion of geodetic data provides deformation rates of tectonic structures, at the scale either of a wide geographic region or for a specific fault system. Furthermore, at some places, geodesy also provides assessment of the strain released through aseismic processes, shedding light on the fault behavior and its ability to host significant earthquakes. The PhD will evaluate the ability of geodetic data to provide alternative earthquake forecast models for PSHA. Some attempts have been carried out in the last decade, either through the estimation of strain rates over large regions or through the estimation of slip rates for fault systems (e.g. in Canada, Mazzoti et al. 2011; in Italy Slejko et al. 2010; or in California, Field et al. 2014). However, for now constraining recurrence models with geodetic data is considered to be still too experimental for a practical implementation (e.g. for nuclear power plants, McCann et al. 2014). There is a need to identify all uncertainties related to the translation of measured surface deformation in terms of total seismic moment release, and to estimate their impact on earthquake-rate models and PSHA. In particular, the limits inherent to the density of GPS stations in space, and to the length of the observation time window, the interpolation of slip rates along faults and the difficult estimation of the aseismic component of the slip are aspects that will deserve specific attention. The PhD will include one theoretical aspect, consisting in the evaluation of the different methods proposed, examining in depth the limits and uncertainties related to each method, and proposing soundest ways to include geodetic data. The panel of earthquake recurrence models considered will be large, including time-dependent components. The PhD will have as region of application Ecuador, where a ten years' collaboration between the Geophysical Institute in Quito, ISTerre and Géoazur laboratories ensures a starting model for PSHA (Beauval et al. 2014; Yepes et al. 2016), access to seismological (Beauval et al. 2010, 2013 and Font et al. 2013) and geodetic data (Nocquet et al. 2014; Chlieh et al. 2014), an expertise on the active fault systems (Alvarado et al. 2014, 2016; Baize et al. 2013) and a solid scientific environment within the International Joint Laboratory SVAN. The earthquake forecast logic tree built will integrate epistemic uncertainties and will be representative of our improved (but still incomplete) understanding of earthquake occurrences in Ecuador.