Séismes lents et variations du couplage intersismique : le cas de la subduction Mexicaine vue par géodésie spatiale.

Slow earthquakes and lateral variations of the interseismic coupling : The case of the mexican subduction seen by remote sensing.

• Auteur / Autrice : Louise Maubant
• Direction : Erwan Pathier, Mathilde Radiguet de La Bastaie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 17/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Nikolai M. Shapiro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédérique Rolandone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Lasserre, Éric Calais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Satellites scientifiques

Géodésie

Mots clés libres

Géodésie

Mexique

InSAR

Mexico

Geodesy

InSAR

Résumé

La multiplication depuis 20 ans d'observations de déformations transitoires au cours du cycle sismique a mis en avant la question de l'impact de ces déformations dans l'estimation de l'aléa sismique. Ainsi, dans les zones de subduction, le rôle des séismes lents sur la variabilité spatiale et temporelle du couplage intersismique et sur l'existence de lacunes sismiques est une question de première importance. Nous avons abordé cette problématique par l'analyse d'observations géodésiques et par la modélisation numérique, en se focalisant sur la subduction mexicaine. Cette zone est une cible pertinente pour étudier ces questions en raison de la présence de séismes lents qui font partie des plus grands observés au monde. La géométrie de cette subduction est également favorable aux observations géodésiques. Un premier volet de cette thèse a été consacré à l’étude du séisme lent de 2017-2018 qui a duré plusieurs mois dans la région de Guerrero. Pour cela, de nouvelles observations ont été faites par interférométrie radar satellitaires (InSAR) utilisant les données Sentinel-1, combinées aux données du réseau GPS permanent. Les données InSAR ont permis d’améliorer significativement la couverture et la résolution spatiale des mesures de déformation du sol par rapport aux études précédentes. La fréquence d’acquisition de ces données est de 6 à 12 jours. Un travail méthodologique sur l’extraction du signal tectonique inclus dans les séries temporelles InSAR a été nécessaire en raison de la grande superficie de la zone d’étude où sont présents de fort gradients topographiques. Deux méthodes de séparation de sources ont été employées. La première approche est une décomposition paramétrique, dans laquelle la forme fonctionnelle des signaux de déformation est imposée, et les signaux atmosphériques sont décrits en utilisant comme contrainte des séries temporelles de délais troposphériques zénithaux issus du GPS. La seconde approche utilise l’analyse en composantes indépendantes (ICA) des séries temporelles InSAR, ne nécessitant pas d’à priori sur le signal recherché. Les deux méthodes fournissent des résultats cohérents et permettent de séparer le signal atmosphérique, sans corrections préalables, du signal tectonique. A partir des cartes de séries temporelles de déplacements validées par les mesures GPS, le glissement du séisme lent sur l’interface de subduction est inversé. La distribution spatiale du glissement est cohérente avec celle des évènements précédents et confirme une localisation à la limite de la zone sismique. L’influence de séismes distants sur la cinématique de ce type d’évènement est également confirmée par ces observations.Dans une seconde partie, les déformations intersismiques sur une zone couvrant environ 1000 km de la subduction mexicaine de Jalisco à Oaxaca sont également analysées à partir de mesures InSAR et GPS. Les variations latérales de couplage le long de la subduction entre 2016 et 2019 sont établies pour la première fois de façon homogène sur l’ensemble de cette zone. Entre Michaocan et Jalisco, où de grands séismes ont eu lieu, on retrouve une zone à fort couplage. L’analyse montre bien l’importance que peuvent avoir à l’échelle de temps de quelques années les signaux transitoires comme les séismes lents sur la variabilité du couplage mesurée par géodésie spatiale. La dernière partie de cette thèse, aborde ce problème par une modélisation numérique du cycle sismique sur un plan de faille en 3D, basée sur des lois de friction de type « rate and state ». Cette modélisation permet de reproduire certaines caractéristiques de subduction mexicaine et de replacer les 20 ans d’observations géodésiques à l’échelle de plusieurs cycles sismiques. Les résultats préliminaires donnent des pistes de réflexions intéressantes sur la question de la possibilité qu’un séisme puisse se produire dans la lacune sismique de Guerrero et sur le rôle des séismes lents sur le faible couplage observé dans cette région.

Over the last 20 years, the increasing number of transient deformation observations taking place during the seismic cycle has raised the question of their impact in estimating seismic hazard. Thus, in subduction zones, the role of slow slip events on spatial and temporal inter-seismic coupling variability and on the existence of seismic gaps is a matter of primary importance. We approached this problem by analyzing new geodetic observations and numerical modeling, focusing on the case of Mexican subduction. This area is a relevant target to study these issues thanks to the presence of slow slip events, which are among the largest observed in the world. The geometry of this subduction zone is also very favorable for geodetic measurements. The first part of this thesis is devoted to the study of the slow slip event of 2017-2018, which lasted several months in the Guerrero region. To achieve this, new observations have been made using satellite radar interferometry (InSAR) from Sentinel-1 data, in combination with data from the permanent GPS network. InSAR data have significantly improved the coverage and spatial resolution of ground deformation measurements compared to previous studies. The data acquisition frequency is between 6 and 12 days. Methodological developments were necessary to allow the extraction of tectonic signals included in the InSAR time series, due to the large extent of the study area, its strong topographic gradients, and the strong atmospheric perturbations that polluted the signal. Two source separation methods were used. The first approach consists of a parametric decomposition: the deformation signals' functional shapes are imposed, and the atmospheric signal is described using time series of zenithal tropospheric delays extracted from GPS as a constraint. The second approach uses Independent Component Analysis (ICA) of the InSAR time series, which does not require any a priori on the desired signal. Both methods provide consistent results and allow separating the atmospheric signal from the tectonic signal without prior corrections. Using time-series displacement maps validated by GPS measurements, the slow slip event on the subduction interface is inverted. The slip's spatial distribution is consistent with that of previous events and confirms a localization at the edge of the seismic zone. These observations also confirm the influence of distant earthquakes on this type of event's kinematics.The second part of this study analyzes the interseismic deformations in an area covering about 1000 km of the Mexican subduction from Jalisco to Oaxaca using InSAR and GPS measurements. Lateral coupling variations along the subduction between 2016 and 2019 are determined for the first time homogeneously over this zone. Between Michoacan and Jalisco, where large earthquakes took place, we find a zone with strong coupling. The analysis demonstrates the importance of transient signals such as slow slip events over a few years on the variability of the coupling measured by spatial geodesy. The last part of this thesis addresses this problem using numerical modeling of the seismic cycle along a 3D fault plane, based on "rate and state" type friction laws. This modeling allows us to reproduce specific characteristics of Mexican subduction and place the 20 years of geodetic observations at the scale of several seismic cycles. The preliminary results provide interesting insights into the possibility that an earthquake could occur in the Guerrero seismic gap and the role of slow slip events on the weak coupling observed in this region.