Etude détaillée de la sismicité liée à une faille normale à bas angle dans les Apennins du Nord de l'Italie

A detailed Study of the Seismicity related to a Low-Angle Normal Fault in theNorthern Apennines, Italy

• Auteur / Autrice : David Essing
• Direction : Michel Campillo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 12/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Anne Socquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patricia Garzon, Elisa Tinti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lengliné, Thomas Fischer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Failles normales

Apprentissage non supervisé (intelligence artificielle)

Mots clés libres

Clustering non supervisé

Déclenchement des tremblements de terre

Apprentissage non supervisé

Répétition des tremblements de terre

Unsupervised clustering

Earthquake triggering

Essaims de tremblements de terre

Repeating earthquakes

Résumé

Dans les contextes tectoniques d’extension, où la croûte se sépare et brise, on peut trouver des registres géologiques concernant les failles normales avec un angle de pendage inférieur à 30°, appelées failles normales à bas angle (LANF en anglais). Le consensus général ce que ces failles accueillent une grand partie de l’extension de la croûte terrestre. Bien qu’elles ont été l’objet d’études intensives au cours des dernières années dans différents contextes géologiques, les questions fondamentales par rapport aux LANF restent d’actualité. Par exemple, il y a encore un débat par rapport à la manière précise dont l’extension est prise en compte, soit en forme de déformation lente subie directement au long de la surface du LANF, soit en forme des failles inverses secondaires dans l’éponte supérieure. Une question associé est de savoir si les LANF ont la capacité de produire de grands séismes.La faille de l’Alto Tiberina, dans les Apennins du Nord (Italie), est une LANF bien étudiée. La surface de la LANF est bien décrit par sa production en continu de micro-sismicité. Au-dessus du LANF, dans l’éponte supérieure (HW en anglais), un réseau de failles syn- et antithétiques à angle élevé héberge fréquemment une sismicité transitoire en essaims. Au cours des dernières décennies, un réseau dense de capteurs multiparamétriques (GNSS, sismique) a été installé dans la région et fournit des mesures de haute qualité.Dans ce travail de thèse, j'exploite les données à haute résolution produites par ce réseau dense pour essayer de répondre aux questions posées ci-dessus. Dans le chapitre 3, j'applique une approche par filtres-adaptés pour obtenir un catalogue a haute résolution de séismes qui sera analysé sous différents aspects. Dans le HW, l'analyse révèle des périodes d'augmentation des regroupements spatiaux et temporels lors d'un événement de déformation asismique. Cela correspond à l'évolution hétérogène du glissement asismique et la complexité du système de failles peu profondes. Tout au long du LANF, la sismicité a un comportement bimodal, avec une sismicité diffuse active en continu et des épisodes intermittents de fortes intensités. De plus, on trouve dans le catalogue élargi des pistes montrant des séismes répétitifs (REs), ce qui semble difficile à concilier avec un modèle de déplacement simple basé sur une analyse préliminaire.Afin d’extraire automatiquement des informations significatives du catalogue à haute résolution, au chapitre 4, j’utilise les informations spatiales et temporelles de la sismicité détectée et j’applique des méthodes de re-groupement non supervisées. Cela permet de trouver et d’extraire des groupes des séismes liés aux essaims sismiques. L’analyse quantitative des essaims sismiques indique que l’essaim général du HW pourrait être composé de (sous) événements de glissement asismique limités dans l’espace et dans le temps.Finalement, dans le chapitre 5, je réévalue les REs trouvés dans le chapitre 3. Les REs relocalisés et les paramètres de source améliorés révèlent des groupes d’événements avec des temps inter-événements courts difficiles à explique avec le fluage comme mécanisme moteur. C’est pourquoi je propose un mécanismes alternatif pour répondre aux observations.La thèse révèle que d’autres mécanismes à part la déformation lente au long du LANF pourraient être à l’origine de l’extension dans la zone d’étude. En effet, les résultats indiquent que certaines déformations pourraient être libérées au long de failles normales avec des angles élevés dans le HW peu profond, ce qui est en accord avec d’autres modèles.

In extensional tectonic settings, where the brittle crust is pulled apart, normal faults with a dip angle below 30°, called low-angle normal faults (LANF), are geologically well recorded. They are thought to be responsible for accommodating large portions of the crustal extension. While in recent decades extensively studied at different places around the globe, basic questions regarding LANFs remain unanswered. For example, the precise way extension is accommodated, whether via slow deformation directly along the surface of the LANF or along high-angle faults in its hanging wall, is still debated. A related question is whether LANF's have the capacity to produce large earthquakes.A well-studied LANF is the Alto Tiberina Fault in the Northern Apennines (Italy). The surface of the LANF is highlighted by continuous radiation of micro-seismicity. Above the LANF, within its hanging wall (HW), a network of syn- and antithetic high-angle faults frequently hosts transient swarm seismicity. In recent decades, a dense network of multi-parametric sensors (GNSS, seismic) was installed within the region which provides high-quality measurements.In this work, I will leverage the high-resolution data offered by the dense network to help address the questions posed above. In chapter3, I will apply a matched-filter approach to obtain a high-resolution earthquake catalog which is analysed from different perspectives. In the HW, the analysis reveals time periods of increased spatial- and temporal clustering during an aseismic deformation event. This reflects the heterogeneous evolution of aseismic slip together with the complexity of the shallow fault system. Along the LANF, seismicity occurs in a bimodal behavior, with diffuse seismicity active continuously, and intermittent bursts. Moreover, indication for repeated earthquakes (REs) is found in the extended catalog, which appear to be difficult to reconcile with a simple creep model based on a preliminary analysis.In order to automatically extract meaningful information of the high-resolution earthquake catalog, in chapter 4, I use the space and time information of the detected seismicity and apply unsupervised clustering methods. This helps to find and extract earthquake clusters that are related to seismic bursts. A quantitative analysis of the seismic bursts indicates that the overall swarm of the HW could be composed of spatially and temporally confined (sub) events of aseismic slip.Finally, in chapter 5, I reassess the REs found in chapter 3. The relocated REs and refined source parameters reveal event clusters with short interevent times, difficult to reconcile with creep as a driving mechanism. Therefore I propose an alternative mechanisms to match the observations.The thesis reveals that other mechanisms than slow deformation along the LANF could be responsible for accommodating the extension within the study area. Indeed, findings indicate that some parts of it could be released along high-angle normal faults within the shallow HW, which is in agreement with alternative models.