Thèse soutenue

À l'origine des motifs de microsismicité dans les failles et volcans : le rôle des processus intermittents de circulation de fluide
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Auteur / Autrice : Gaspard Farge
Direction : Claude JaupartNikolai M. Shapiro
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
Date : Soutenance le 07/09/2022
Etablissement(s) : Université Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
Jury : Président / Présidente : Alexandre Schubnel
Examinateurs / Examinatrices : Claude Jaupart, Nikolai M. Shapiro, Alexandre Schubnel, Emily Brodsky, Stéphane Rondenay, Camilla Cattania
Rapporteurs / Rapporteuses : Emily Brodsky, Stéphane Rondenay

Mots clés

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Résumé

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Dans de nombreuses zones de subduction, l'interface entre les plaques est le siège d'une activité sismique intermittente, de fréquence caractéristique relativement faible et de faible magnitude, le tremor, composé de séismes de basse fréquence (LFE). L'activité sismique se concentre en essaims épisodiques qui migrent le long de l'interface de faille. Les systèmes volcaniques génèrent une activité sismique similaire, tant en termes de caractéristiques de source que de motifs spatio-temporels d'activité. Dans ce manuscrit, nous essaierons de comprendre comment ces sources et ces motifs peuvent être façonnés par les processus intermittents de circulation des fluides dans les failles de subduction et des volcans. Notre étude se concentrera sur la dynamique hydraulique des failles et l'activité sismique que l'on peut lui attribuer, mais notre objectif est de construire un cadre conceptuel applicable à tout système actif du point de vue hydraulique et sismique. Dans les affleurements de zones de paléo-subductions, les structures géologiques dans les régions sources du tremor et des LFE portent la signature de variations cycliques et catastrophiques de la pression de fluide et de la perméabilité de la zone de faille. Dans ce manuscrit, nous explorerons comment des transitoires de pression fluide dans une zone de faille de subduction perméable peuvent peuvent être à l'origine d'émissions sismiques, d'interactions entre sources sismiques, et à l'origine de l'émergence de motifs intermittent d'activité. Dans une première partie, nous caractérisons la source des LFE à Guerrero, au Mexique, et constatons que la distribution de leurs magnitude et durée n'est pas cohérente avec un modèle de rupture classique, puisque leur durée semble indépendante de leur magnitude. Cette observation peut être expliquée par un modèle de source des LFE qui implique des transitoires de pression de fluide dans l'interface de la faille, suffisamment amples et rapides pour générer des ondes sismiques. Dans un second temps, nous montrons comment les variations de la pression de fluide et de la perméabilité dans la zone de faille peuvent agir en tandem pour générer des motifs migratoires et intermittents de sismicité. La caractéristique principale du modèle que nous développons est que de courts segments de faible perméabilité dans la zone de faille qui conduit le fluide se comportent comme des valves. Par un mécanisme de bouchage/débouchage de la perméabilité documenté dans des milieux poreux traversés par un fluide portant des particules, la perméabilité de la valve s'ouvre et se ferme en réponse au gradient local de pression de fluide. La variation rapide de pression et/ou la fracturation mécanique associée à l'ouverture de la valve doivent générer des événements de type LFE. Dans ce modèle, les valves voisines interagissent de manière constructive, générant des motifs de sismicité similaire à ceux du tremor observé dans les zones de subduction : cascades d'événements élémentaires, activité synchronisée et migratoire, à différentes échelles de temps et d'espace. Notre modèle prédit que le flux de fluide d'entrée et la structure de perméabilité sont des contrôles clés de la forme que prend l'activité sismique ainsi déclenchée. L'interface de subduction peut être sismiquement calme ou active suivant la valeur du forçage hydraulique, et la sismicité peut être fortement groupée dans le temps, quasi-périodique ou presque aléatoire dans le temps suivant la force de l'interaction entre les sources. Ce modèle permet de nouvelles interprétations de l'activité sismique à basse fréquence en termes de flux de fluide effectif et de structure de perméabilité de la zone de faille. Avec ce travail, nous espérons apporter une nouvelle perspective pour interpréter l'activité microsismique dans les failles et les volcans comme étant façonnée par des processus intermittents de circulation de fluide actifs en leur sein, et ainsi enrichir notre compréhension de la signature de ce