Déformations actuelles en bordure Est du plateau Tibétain : suivi du fonctionnement des failles et mécanismes de déformation contraints par interférométrie radar haute-résolution (données Sentinel-1)

par Laetitia Lemrabet

Projet de thèse en Sciences de l'univers

Sous la direction de Cecile Lasserre et de Marie pierre Doin.

Thèses en préparation à Lyon , dans le cadre de Physique et Astrophysique de Lyon (PHAST) , en partenariat avec Laboratoire de Géologie de Lyon : Terre, Planètes et Environnement (equipe de recherche) depuis le 26-10-2018 .


  • Résumé

    L’objectif principal de la thèse est de démontrer le potentiel des données Sentinel-1 (S1) pour mesurer, par interférométrie radar (InSAR), les déformations actuelles en bordure est du plateau tibétain, qu’elles soient d’origine tectonique ou autre (anthropique, hydrologique), à l’échelle de cibles locales spécifiques (failles actives, bassins sédimentaires) comme à l’échelle continentale (grands blocs lithosphériques bordés par des chaînes de montagne et de grands systèmes de failles). Cette bordure est du plateau tibétain, depuis la syntaxe himalayenne au sud jusqu’à l’Ordos au nord, est marquée par de grandes failles sismogéniques, récemment rompues (chevauchements des Longmen Shan à l’origine du séisme de Wenchuan -Mw 7.9- en 2008), ou constituant au contraire des lacunes sismiques non rompues depuis plusieurs centaines d’années. Les données géodésiques disponibles à ce jour (GPS, séries temporelles InSAR ERS/Envisat) montrent que certaines de ces lacunes sont le siège de glissements asismiques (comme certains segments le long des failles de Haiyuan et Xian Shui He, et peut-être le long du front himalayen au Bhoutan) qui peuvent, suivant leurs caractéristiques spatio-temporelles, contribuer à diminuer l’alea sismique sur ces failles ou à l’inverse faciliter l’initiation de futures grandes ruptures. De plus, les bordures est et sud du plateau sont marquées par de hautes chaînes de montagne (Longmen Shan à l’est et Himalaya au sud, avec de forts dénivelés de plusieurs kilomètres), soumises à l’érosion, contrastant avec des bassins affectés par de fortes charges hydrologiques saisonnières. Ces différentes problématiques multi-échelles d’alea sismique, d’érosion et de surcharges hydrologiques, de surrection du plateau tibétain et d’évolution des systèmes de failles, peuvent maintenant être abordées par l’analyse des séries temporelles InSAR Sentinel-1, grâce à leur haute résolution temporelle et à leur large couverture spatiale. L’enjeu de cette thèse sera de mieux discriminer les mouvements tectoniques des autres sources de déformation (ceci passe par une meilleure séparation des mouvements horizontaux et verticaux notamment), de les mesurer avec une résolution spatio-temporelle et une précision encore inégalées pour progresser dans leur modélisation et leur compréhension. Les observations sur l'échelle de temps géodésique devront être confrontées à l'évolution géodynamique des grands systèmes de failles tibétains formés depuis l’initiation de la collision Inde-Asie. Ces derniers évoluent du fait du réarrangement progressif des blocs et de la formation des reliefs, comme l’attestent par exemple la propagation de la déformation au nord de la faille de Haiyuan, dans le prolongement de la faille de l’Altyn Tagh, pour « contourner » l’Ordos, ou l'initiation récente de la faille de Longriba an arrière des Longmen Shan, ou encore la réorganisation des systèmes de failles près de la syntaxe Himalayenne. Ces évolutions, connues à travers l’analyse morpho-tectonique de ces régions, sont au cœur des différents modèles de construction et d’évolution du plateau tibétain, encore débattus aujourd'hui.

  • Titre traduit

    Current deformations at the eastern edge of the Tibetan plateau : monitoring of faults’ behavior and deformation mechanisms constrained by high-resolution radar interferometry (Sentinel-1 data)


  • Résumé

    The main objective of the thesis will be to demonstrate the potential of the Sentinel-1 (S1) data to measure, by radar interferometry (InSAR), the current deformations at the eastern edge of the Tibetan plateau, whether of tectonic origin or otherwise (anthropogenic, hydrological), on the scale of specific local targets (active faults, sedimentary basins, cities) as well as on the continental scale (large lithospheric blocks bordered by mountain ranges and major fault systems). This eastern border of the Tibetan plateau, from the Himalayan syntax in the south to the Ordos in the north, is marked by major, recently broken seismogenic faults (Longmen Shan thrusts at the origin of the Mw 7.9, Wenchuan earthquake in 2008), or constituting on the contrary seismic gaps not broken for several hundred years. Geodetic data available to date (GPS, InSAR ERS / Envisat time series) show that some of these gaps are the site of aseismic slow slips (such as some segments along the Haiyuan and Xian Shui He faults, and possibly along the Himalayan front in Bhutan), which, depending on their spatio-temporal characteristics, can help to reduce the seismic hazard on these faults or, conversely, facilitate the initiation of future major ruptures. In addition, the eastern and southern borders of the Tibetan plateau are marked by high mountain ranges (Longmen Shan in the east and Himalayas in the south, with elevations variations of several kilometers), subject to erosion and contrasting with basins affected by hydrological loads varying seasonally. These multi-scale problems of seismic hazard, erosion and hydrological loads, the uplift of the Tibetan plateau and the evolution of fault systems can now be addressed by analyzing the InSAR Sentinel-1 time series thanks to their high temporal resolution and wide spatial coverage. The aim of this thesis will be to better discriminate the tectonic movements from other sources of deformation (this involves a better separation of horizontal and vertical movements in particular), to measure them with a spatio-temporal resolution and a precision still unmatched to progress in their modeling and understanding. Observations on the geodetic time scale will have to be compared with the geodynamic evolution of the major Tibetan fault systems formed since the initiation of the India-Asia collision. These systems evolve as a result of the progressive re-arrangement of the blocks and the formation of reliefs, as evidenced, for example, by the propagation of deformation north of the Haiyuan fault in the continuity of the Altyn Tagh fault to " bypass "the Ordos, or by the recent initiation of the Longriba fault in the rear of the Longmen Shan, or by the reorganization of fault systems near theHimalayan syntax. These evolutions, known through the morpho-tectonic analysis of these regions, are at the heart of the different models of construction and evolution of the Tibetan plateau, still debated today. The work of the thesis will be based mainly on the use of the S1 data systematically acquired in descending and ascending orbits on the eastern half of the Tibetan plateau (~ 300 km x 1500 km), to produce regularly updated time series of displacements. Different methodological challenges will have to be met. The volume of S1 data and their high acquisition frequency require to transfer the processing on High Performance computing platforms. Our teams are involved in various initiatives in this direction in collaboration with ESA, CNES, Grenoble-Alpes University and the future Solid Earth data pole, which will be evaluated in part during the course of the thesis. Strategies for assimilating new S1 data by packets of new acquisitions, taking into account precise orbits and atmospheric corrections, and preserving the quality of the coregistration and the consistency of the images over time, are being tested and will be validated massively during the thesis. As part of the thesis, S1 data and GRACE Follow-on data will also have to be analyzed jointly to correct the InSAR time series of seasonal hydrological effects at long spatial wavelengths. These new S1 series will complement the InSAR ERS / Envisat series, which have already been processed, for a decades-long view, which is crucial for characterizing fault behavior during the various phases of the seismic cycle (cosismic studies, post- seismic effects of large regional earthquakes, interseismic fault slip rates, especially along seismic gaps and aseismic sliding segments). New approaches to best combine InSAR and GPS data will be tested (Bayesian inversion techniques developed at LGLTPE by T. Bodin and M. Métois, taking into account the diversity in density, regularity of data points, and sources of noise of these two types of geodetic data). This will make it possible to reconstruct as well as possible maps of 3D displacements and deformation rates evolving with time. The comparison of these maps with the tectonic and thermochronological data should make it possible to discuss the evolution over time of fault systems and their slip velocities, as well as the degree of "volumic" deformation outside the fault zone. Mechanical models ranging from simple models of elastic blocks, rigid or not, to models involving a more complex rheology will thus be tested.