Vers un suivi continu du comportement des failles actives : assimilation de données InSAR et GPS le long de la faille Nord Anatolienne.

par Angélique Benoit

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'environnement

Sous la direction de Eric Calais et de Romain Jolivet.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Sciences de la Terre et de l'environnement et physique de l'Univers Paris , en partenariat avec Ecole normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie (laboratoire) et de École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    Le comportement sismique et asismique des failles actives est contrôlé par la distribution spatiale des propriétés rhéologiques des zones de failles et par l'évolution spatio-temporelle du champ de contrainte dans la croûte terrestre. Mesurer les déplacements de la surface du globe dans les zones de failles actives permet d'explorer ces propriétés afin de contraindre des modèles dynamiques de comportement des failles. Au cours des 25 dernières années, les techniques de géodésie spatiale ont grandement évoluées et ont permis de mesurer finement, localement à l'aide de GPS continus, l'évolution temporelle des déplacements du sol et, avec une grande couverture spatiale à l'aide d'interférométrie Radar par satellite (InSAR), la vitesse de ces déformations ou leur évolution pluri-annuelle. Cependant, la non-régularité des acquisitions Radar n'a pas permis, sauf en de rares cas, d'explorer les variations à court terme (typiquement, quelques jours) des déformations avec une grande couverture spatiale. Récemment, nous avons mis en évidence, grâce aux données de la constellation de satellites Radar Cosmo-SkyMed, que le comportement spatio-temporel du glissement asismique le long de la faille Nord Anatolienne n'était pas cohérent avec les observations précédentes et les modèles de cycle sismique développés pour la région. Cette grande faille décrochante, qui accommode la rotation de l'Anatolie par rapport à l'Eurasie, à rompu lors de grand séismes (M7+) et son segment central glisse de manière asismique depuis le séisme de 1944 (Mw 7.3). Les mesures géodésiques terrestres et spatiales montrent que le glissement est actuellement constant, à une vitesse de 7-8 mm/an, en accord avec un modèle dynamique du cycle sismique. Nos données, qui ont pour particularité un échantillonnage temporel très fin (1-6 jours) ont montré que le glissement n'est pas constant. Le comportement spatio-temporel du glissement asismique n'est donc pas connu et le modèle physique du comportement de cette faille est à revoir. Le lancement récent du satellite Sentinel 1A et celui prévu de Sentinel 1B permettent d'envisager un changement profond dans notre vision des déformations de surface, notamment dans les zones de failles actives. Ces deux satellites garantissent des acquisitions régulières, tous les 6 jours de toute la surface de la Terre. Ce changement doit s'accompagner d'une modification significative de nos méthodes de traitement vers un traitement automatique, en continu, du flux de données nous arrivant et permettant d'inclure des informations issues de différentes sources de données géodésiques. Il apparait donc nécessaire et naturel aujourd'hui de développer des méthodes d'assimilation de données pour un suivi continu des déplacements du sol dans les zones en déformation. L'objectif des travaux proposés est double et modulable: 1. Mettre en place une méthode de traitement des données InSAR pour Sentinel 1A et 1B basée sur des techniques d'assimilation de données. 2. Appliquer et éprouver cette nouvelle approche dans la zone de faille Nord Anatolienne avec comparaison et utilisation de données GPS. Le premier objectif est donc méthodologique et permettra d'appliquer cette méthode sur toutes les zones en déformation active (e.g. déformations sismiques, hydrologiques, de marées). Le second objectif est axé sur la compréhension du comportement sismique et asismique d'un segment de faille qui à rompu de manière sismique par le passé et qui continu de glisser de façon asismique épisodiquement. Nous avons initié le développement d'un réseau de stations GPS continues proches de la faille pour pouvoir suivre dans le temps l'évolution temporelle du glissement. La distribution spatiale du glissement sera essentiellement extraite des données InSAR. Ce développement devra être poursuivi sur les prochaines années.

  • Titre traduit

    Toward continuous monitoring of the slip behavior of active faults: InSAR and GPS data assimilation along the North Anatolian fault zone.


  • Résumé

    The seismic behaviour of active faults is controlled by the spatial distribution of rheological properties of fault zones and by the space and time evolution of stress in the crust. Measuring surface displacements in active fault zones allows exploring these properties in order to constrain dynamic models of the earthquake cycle. Over the last 25 years, geodetic techniques allowed to measure finely the temporal evolution of surface displacements with continuous GPS. However, these measurement have limited spatial coverage. In addition, Satellite Synthetic Aperture Radar Interferometry allowed to measure ground velocity or pluri-annual variations of ground displacements over large areas (100x100 km). However, uneven acquisitions and the scarcity of data has not permitted to explore short term variations of surface deformation with a wide spatial coverage. Using data from the SAR satellite constellation Cosmo-SkyMed, we have recently shown that the spatio-temporal behaviour of slip along the North Anatolian fault was not consistent with previous measurement of subsurface slip and models of the earthquake cycles developed for this area. This major strike slip fault, accommodating the relative displacement of Anatolia with respect to Eurasia, ruptured during major earthquakes (M7+) over the last century and its central section slips aseismically since the 1944, M7.3, earthquake. Ground- and space-based geodetic measurements have shown the fault slips aseismically at a 7-8 mm/yr velocity, as predicted by the dynamic model developed for this fault section. Thanks to the high temporal sampling of our data set (1-6 days), we have shown that slip is actually not constant, hence a need for a revisit of the physical model. The recent launch of the Sentinel 1A and of the planned Sentinel 1B satellites represent a major opportunity to measure finely, with a high temporal sampling and a wide coverage, surface deformations in active fault zones. Together, these 2 satellites will provide a worldwide coverage of actively deforming regions every 6 days. This change in data acquisition plans calls for a major modification of our processing techniques, toward a continuous assimilation of various sources of displacement data for a continuous monitoring of surface deformations. We therefore propose to work toward the following two objectives: 1. Develop an InSAR time series analysis method based on data assimilation techniques for continuous and automated monitoring of ground deformation 2. Apply this method to measure ground deformations along the central North Anatolian fault creeping section and compare with continuous GPS measurements. The PhD candidate will first develop a method that will possibly be used anywhere the ground is actively deforming (e.g. tectonics, hydrology, volcanology). Then, the PhD candidate will apply this method to refine our understanding of the seismic and aseismic behaviour of a fault segment that has ruptured in the past and slip aseismically today. We are currently developing a network of continuous GPS stations to track the temporal evolution of slip. InSAR will provide constraints on the spatial distribution of slip along the fault. The development of the GPS network will be continued in the following years.