Mesure et suivi spatio-temporel des déplacements de surface dans le nord-ouest de la Turquie, par interférométrie radar à haute résolution : glissement asismique et subsidence

par Gokhan Aslan

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Cécile Lasserre, François Renard et de Ziyadin Çakir.

Soutenue le 30-04-2019

à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Istanbul teknik üniversitesi , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Hayrullah Karabulut.

Le jury était composé de François Renard, Michel Bouchon.

Les rapporteurs étaient Mahdi Motagh, Marcello De Michele.


  • Résumé

    Le but de cette thèse est centré sur la détection et la surveillance de la déformation de surface dans le nord-ouest de la Turquie, induite par une variété de phénomènes naturels (telles que l'activité tectonique, les glissements de terrain lents, etc.) et anthropiques (extraction des eaux souterraines, activités de construction, etc.), et sur l’analyse des mécanismes de déformation associés et de leurs conséquences pour l’environnement. Ce travail est basé sur le calcul de séries temporelles de déplacement du sol par interférométrie radar à synthèse d’ouverture (InSAR) afin d'analyser l'évolution des déplacements du sol, pour trois cas d’études associés à différents phénomènes géophysiques et processus sous-jacents. L’objectif de cette thèse est double : (1) révéler et quantifier les caractéristiques spatio-temporelles du glissement asismique le long de la rupture du séisme d’Izmit du 17 août 1999, et discuter de leur relation potentielle avec les propriétés de la faille (lithologie, géologie); (2) étudier la subsidence du sol dans des zones urbaines ou des zones exploitées par l'homme, induite par divers facteurs, et discuter des rôles relatifs de la tectonique, de la lithologie et des activités anthropiques dans ce mouvement du sol.Dans la première étude de cas, j’ai combiné des mesures InSAR, à partir d’images radar TerraSAR-X (bande X) et Sentinel-1 AB (bande C) acquises sur la période 2011-2017, à des mesures GPS en champ proche, effectuées tous les six mois à partir de 2014 jusqu'en 2016, ainsi qu’à des mesures de creepmeter, pour analyser le champ de vitesse en surface autour de la NAF, après le tremblement de terre d'Izmit de 1999. Les champs de vitesse moyenne horizontale InSAR révèlent que le taux de fluage (« creep ») sur le segment central de la rupture d'Izmit continue de décroître, plus de 19 ans après le séisme, ce qui concorde globalement avec les modèles de décroissance logarithmique des glissements post-sismiques de type « afterslip ». Le long de la section de la faille rompue à une vitesse « supershear » lors du séisme d'Izmit, le fluage se poursuit à une vitesse pouvant atteindre 8 mm / an. Un événement transitoire significatif, avec un fluage en accélération, est également détecté en décembre 2016 sur la série temporelle Sentinel-1, en accord avec les mesures d’un creepmeter installé près de la zone où la vitesse de fluage est maximum. Il est associé à un déplacement de surface total de 10 mm accumulé en un mois seulement.La deuxième cas d’étude porte sur l'identification et la mesure de la déformation du sol long-terme à Istanbul à partir d'une série InSAR couvrant près de 25 ans d'observations radar par satellite (1992-2017). Cette série temporelle InSAR a été calculée à partir d'images radar de plusieurs satellites (ERS-1, ERS-2, Envisat, Sentinel-1 A, B) afin d'étudier l'étendue spatiale et le taux de subsidence du sol dans la mégapole d'Istanbul.Dans le troisième cas d’étude, une série InSAR est calculée pour quantifier la subsidence de la plaine de Bursa (sud de la région de Marmara en Turquie), auparavant interprétée comme d’origine tectonique. Dans cette étude, StaMPS est utilisé pour traiter des séries d'images radar Sentinel 1 A-B acquises entre 2014 et 2017 le long d’orbites ascendantes et descendantse. Le champ de vitesse verticale obtenu après décomposition des champs de vitesse en ligne de visée sur deux traces complémentaires révèle que la plaine de Bursa s'affaisse à des vitesses allant jusqu'à 25 mm / an. A l’est, le signal de subsidence le plus important dans le bassin forme une ellipse allongée est-ouest et est limité par une plaine alluviale Quaternaire subsidant à environ 10 mm / an. Ces observations indiquent que l'accélération récente de la subsidence est principalement due aux activités anthropiques plutôt qu'aux mouvements tectoniques régionaux.

  • Titre traduit

    MONITORING OF SURFACE DEFORMATION IN NORTHWEST TURKEY FROM HIGH-RESOLUTION INSAR : FOCUS ON TECTONIC ASEISMIC SLIP AND SUBSIDENCE


  • Résumé

    The aim of this thesis is centered on the detection and monitoring of surface deformation in northwest Turkey induced by a variety of natural (such as tectonic activity, slow moving-landslides, etc.) and anthropogenic (ground water extraction, construction activities, etc.) hazards and on the analysis of the related deformation mechanisms and their environmental consequences. In this work, I computed Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) time series to examine ground deformation evolution for three different case studies associated to different geophysical phenomena and underlying processes. The focus of this thesis is two-fold : (1) to reveal and monitor the spatio-temporal characteristics of aseismic slip along the August 17, 1999 Mw 7.4 Izmit earthquake rupture, and discuss its potential relationship with lithology and geology (2) to investigate ground subsidence in urban or human-exploited areas induced by various factors, and discuss the relative roles of tectonics, lithology and anthropogenic activities in such ground motion.In the first case-study, I combined InSAR measurements, based on X-band TerraSAR-X and C-band Sentinel-1 A-B radar images acquired over the period 2011-2017, with near field GPS measurements, performed every 6 months from 2014 to 2016, as well as creep meter measurements to examine the surface velocity field around the NAF after the 1999 Izmit earthquake. In this study, the Stanford Method for Persistent Scatterers InSAR package (StaMPS) was employed to process series of Sentinel 1 A-B (acquired along ascending and descending orbits) and TerraSAR-X (ascending orbits) radar images. The InSAR horizontal mean velocity fields reveal that the creep rate on the central segment of the 1999 Izmit fault rupture continues to decay, more than 19 years after the earthquake, in overall agreement with models of postseismic afterslip rate decaying logarithmically with time. Along the fault section that experienced a supershear velocity rupture during the Izmit earthquake, creep continues with a rate up to ~ 8 mm/yr. A significant transient event with accelerating creep is detected in December 2016 on the Sentinel-1 time series, consistent with creepmeter measurements, near the maximum creep rate location. It is associated with a total surface slip of 10 mm released in one month only. The second case study deals with the identification and measurement of secular ground deformation in Istanbul from a long-term InSAR time-series spanning almost 25 years of satellite radar observations (1992-2017). This InSAR time series was computed from radar images of multiple satellites (ERS-1, ERS-2, Envisat, Sentinel-1 A, B) in order to investigate the spatial extent and rate of ground subsidence in the megacity of Istanbul.In the third case study, InSAR time-series analysis is calculated for quantifying the subsidence of the Bursa Plain (southern Marmara region of Turkey), which has been interpreted as resulting from tectonic motions in the region. In this study, the StaMPS is employed to process series of Sentinel 1 A-B radar images acquired between 2014 and 2017 along both ascending and descending orbits. The vertical velocity field obtained after decomposition of line-of-sight velocity fields on the two tracks reveals that the Bursa plain is subsiding at rates up to 25 mm/yr. The most prominent subsidence signal in the basin forms an east-west elongated ellipse of deformation in the east, and is bounded by a Quaternary alluvial plain undergoing average vertical subsidence at ~10 mm/yr. The InSAR time series within the observation period is well correlated with changes in the depth of the ground water. These observations indicate that the recent acceleration of subsidence is mainly due to anthropogenic activities rather than tectonic motion.


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