La rugosité des failles : analyse et conséquences sur l'hétérogénéité des ruptures sismiques

Thibault Candela

Description

Sous la direction de François Renard, Michel Bouchon
Thèse soutenue le 23 mars 2011: UNIVERSITE DE GRENOBLE, Grenoble
Les aspérités géométriques d'un plan de faille contrôlent en partie toutes les étapes de la rupture sismique, depuis sa nucléation jusqu'à l'arrêt du séisme. L'objectif de ce travail est de caractériser la morphologie des surfaces de faille sur la large gamme d'échelles spatiales impliquées dans les tremblements de terre, puis d'explorer son influence sur l'organisation spatiale du glissement et des contraintes. L'approche utilisée inclue des observations de terrain couplées à une étude numérique et théorique. La combinaison de méthodes récentes de mesures topographiques (LiDAR, rugosimètre laser, interféromètre à lumière blanche), qui couvrent des gammes d'échelles spatiales complémentaires, permet de proposer un modèle géométrique cohérent de cinq zones de failles étudiées (Alpes françaises, Apennins, Turquie, Californie, Nevada). La rugosité des surfaces de failles montre des propriétés de dépendance d'échelle, et plus précisément suit un régime auto-affine anisotrope (l'exposant de rugosité est Hpara = 0.6 dans la direction du glissement et Hperp = 0.8 dans la direction perpendiculaire) depuis la centaine de micromètres jusqu'à plusieurs dizaines de mètres. En complément, l'analyse de la rugosité des ruptures de surface de huit tremblements de terre continentaux majeurs montre qu'un unique régime auto-affine anisotropique et sans longueur caractéristique est maintenu jusqu'à l'épaisseur de la croute sismogénique. Cette description de la géométrie des surfaces de failles et des traces de ruptures, est indépendante du contexte géologique. Plus particulièrement, cette étude met en avant que dès lors qu'un glissement cumulé métrique est atteint sur une faille, la complexité géométrique des portions actives des zones de failles est maintenue quel que soit le déplacement supplémentaire accommodé. Finalement, motivé par des observations de terrain, il est proposé que le processus dominant à l'origine de la rugosité des surfaces de failles puisse être l'interaction mécanique et la coalescence de segments multi-échelles. Deux conséquences émergent de cet état de rugosité. Les distributions spatiales du champ de glissement d'une part et du champ des contraintes lors d'un tremblement de terre d'autre part peuvent être expliquées par la présence de deux interfaces rugueuses auto-affines pressées élastiquement et cisaillées. Notamment, en utilisant un modèle numérique de propagation d'une rupture sur une interface hétérogène, la corrélation entre la rugosité 3-D des failles et la distribution spatiale 2-D du glissement dans le plan est clarifiée. Il est proposé que les hétérogénéités spatiales du glissement visibles sur les modèles cinématiques de rupture sismique soient préférentiellement dominées par les complexités géométriques locales plutôt que par la dynamique du front de rupture lui-même. Par ailleurs, les propriétés auto-affines des lèvres de la faille impliquent que les fluctuations spatiales de la chute de contrainte lors d'un séisme augmentent vers les courtes longueurs d'ondes ; ce qui est confirmé par des observations sismologiques. En considérant un modèle de rupture en cascade, il est alors probable que les failles sont fortement inhomogènes, avec des grands tremblements de terre composés d'une somme de petites aspérités multi-échelles qui subissent de fortes chutes de contrainte. Cette étude met en lumière l'importance des hétérogénéités locales en contrainte et en glissement dans la mécanique des tremblements de terre, et propose de les relier à des propriétés morphologiques self-affines de la surface de faille.
-Rugosité
-Séisme
-Faille
Geometrical asperities on fault planes partially control all stages of earthquake genesis, from the nucleation of a rupture, to its arrest. The present study aims at characterizing the geometrical morphology of fault surfaces on the wide range of spatial length scales involved in earthquakes, and exploring its influence on the spatial organization of slip and stresses during an earthquake. The approach combines field observations, numerical analysis and theory. Using recent methods of high resolution topographic measurements (LiDAR, laser profilometer, white light interferometer), spanning complementary ranges of spatial length scales, a consistent geometrical model emerges for the five fault zones (French Alps, Apennines, Turkey, California, Nevada) studied here. The morphology of the fault surface, i.e. its roughness, is scale dependent, and more specifically follows a self-affine anisotropic regime (the roughness exponent is Hpara = 0.6 in the slip direction and Hperp = 0.8 perpendicular to it) from the scale of hundred of micrometers to several tens of meters. In addition, the roughness analysis of the surface rupture of height major continental earthquakes shows that a single self-affine regime is maintained up to the thickness of the seismogenic crust, without any characteristic length scale. This description of the geometry of the fault scarps and rupture traces is independent of the geological context. More particularly, this study highlights that once a fault has achieved a cumulated a small offset no larger than one meter, the roughness of the active portion of the fault zone is maintained even if further slip is accommodated. Finally, motivated by field observations, it is proposed that the main process causing the roughness of fault surfaces can be the mechanical interaction and coalescence of multi-scale segments. Based on a numerical and theoretical approach, the spatial distribution of both the slip and stress fields during an earthquake can be understood by the presence of two self-affine rough interfaces elastically squeezed and sheared. Using a numerical model of rupture propagation on a heterogeneous interface, the link between the 3-D fault roughness and the 2-D spatial distribution of the slip is clarified. It is proposed that the spatial heterogeneity of the slip observed on kinematic models of earthquake rupture is preferentially dominated by the local geometrical complexity rather than the dynamic of rupture itself. Moreover, the self-affine properties of the fault interfaces imply that the spatial fluctuations of the stress drop after a rupture event increase towards shorter wavelengths. Considering a rupture cascade model, it is likely that the faults may be considered as highly inhomogeneous with large earthquakes composed by a sum of multi-scales ruptures of small asperities with large stress drop within an average fault surface with small stress drop. This study emphasizes the importance of local stress and slip heterogeneities on the mechanics of earthquakes and proposes to relate these parameters to the self-affine morphology of the fault surfaces.
-Roughness
-Earthquake
-Fault
Source: http://www.theses.fr/2011GRENU013/document

Sujets

• État de surface
• Séisme
• Faille

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : TERRE, UNIVERS, ENVIRONNEMENT
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Thibault Candela
Thèse dirigée par François Renard et
codirigée par Michel Bouchon
préparée au sein du Laboratoire ISTerre
dans l'École Doctorale TUE
La Rugosité des Failles :
Analyse et Conséquences sur
l’Hétérogénéité des Ruptures
Sismiques
Thèse soutenue publiquement le 23/03/2011,
devant le jury composé de :
Mr Raúl Madariaga
Professeur à l’ENS de Paris (Rapporteur)
Mr Yann Klinger
Chargé de Recherche à l’IPG de Paris (Rapporteur)
Mr Jean Schmittbuhl
Directeur de Recherche à l’IPG de Strasbourg (Président)
Mlle Karen Mair
Professeur au PGP Oslo (Examinateur)
Mr François Renard
Professeur à l’ISTerre Grenoble (Directeur de thèse)
Mr Michel Bouchon
Directeur de Recherche à l’ISTerre Grenoble (Directeur de thèse)
tel-00601084, version 1 - 16 Jun 2011tel-00601084, version 1 - 16 Jun 2011

Remerciements


C’est ici que je me dois de jeter un coup d’oeil en arrière (une fois n’est pas coutume) afin de
remercier le bon nombre de personnes formidables qui m’ont accompagné et encouragé durant ma
thèse et même avant…

Tout d’abord, je tiens à remercier chaleureusement mes deux directeurs François et Michel pour leur
aide et leur soutien sans faille ! Nos discussions, souvent animées, ont toujours été très productives.
Merci François d’avoir eu constamment confiance en moi dès mon arrivé en thèse à Grenoble. Ton
optimisme intarissable, même face à mes idées les plus loufoques, fut un véritable moteur pour mon
travail de recherche. Dans mes moments de doutes, je n’avais qu’à franchir la porte de ton bureau
pour me regonfler le moral. Michel, même si nous n’avons pas le même jargon scientifique, tu as su
m’entendre et me conseiller à chaque fois que je t’ai sollicité. Ton extrême gentillesse a su tempérer
mon entêtement face aux flots d’hypothèses souvent naïves que je proposais. Merci à vous deux pour
votre énorme générosité humaine, et j’espère sincèrement que ce n’est que le début d’une véritable
amitié.

En me remémorant l’intégralité des membres de mon jury, à savoir Raul Madariaga, Yann Klinger,
Karen Mair et Jean Schmittbuhl je me rends compte de la chance qu’il m’ait été donné d’échanger
mes idées avec ces spécialistes d’horizons « geo-scientifiques » variées. Je tiens à les remercier de
m’avoir fait l’honneur de bien vouloir évaluer mon travail.

Merci à toutes les personnes de l’ex-LGCA et de l’ex-LGIT qui m’ont aidé au cours de ma thèse.
Oui ! J’étais donc ISTerrien avant l’heure ! (Elle est pour toi celle-ci Jéjé). En premier lieu, je tiens à
remercier Claudine, Claudie, Christine, et Aurore, qui ont su prendre avec sourire toutes mes bourdes
administratives. Merci Pascale pour tes prouesses dans la recherche bibliographique et ta patience
face à mes questions redondantes… Un grand merci à Maria pour sa bonne humeur quotidienne.
Merci à Rodolphe pour avoir su régler chacun de mes petits « bobos informatiques » !
La chaleur humaine qui déborde du troisième étage de la maison des géosciences fut pour moi un
véritable poumon durant ces dernières années. Je tiens à remercier ici tous les « chercheurs
confirmés » de l’ex-LGCA qui contribuent à cette ambiance exceptionnelle: Catherine, Pascale,
Emilie, Alexandra, Laurence, Etienne, Matthias, German, Stéphane(s), Thierry, Emilie, Pierre, Alex,
Julien, Pieter, Jean, Olivier, Manu(s), Eric…

Merci également à tous les membres de l’équipe « Mécanique des failles » qui ont subit mes
nombreuses présentations à l’oral, souvent laborieuses… Je te remercie David pour avoir pris sur ton
temps pour décortiquer mes analyses farfelues ! Merci à Jean-Pierre et Mai Linh pour les nombreuses
discussions passionnées que nous avons eu ensemble sur les failles et plus particulièrement sur le
terrain face à celle de « Punchbowl », « La Clery » et « La Vuache ». Je pense ici également à Seb
qui par son caractère de guerrier, me montre la voie à suivre pour continuer dans le monde de la
recherche. Anne-Marie, milles mercis pour ton extrême gentillesse et pour ton travail… C’est en
lisant certaines de tes publications pendant mon Master qu’il m’est apparut évident de concentrer
mes efforts sur la compréhension de la mécanique des failles. A ce stade, j’en profite ici pour
remercier l’ensemble des professeurs de Montpellier, à qui je dois l’intégralité de ma formation
universitaire en géologie et qui ont su me donner l’envie de me lancer dans une thèse. Merci à
Jacques Malavieille et Alain Chauvet, qui ont accompagnés mes premiers pas dans l’étude des zones
de failles et qui ont su m’encourager afin de persévérer dans cette voie. Promis ce papier sur Taiwan
on va l’achever !

Je souhaite ici évoquer et remercier les personnes que j’ai eu la chance de côtoyer lors de
collaborations aussi bien en France qu’à l’étranger. En premier lieu un grand merci à Jean
tel-00601084, version 1 - 16 Jun 2011

Schmittbuhl et Renaud Toussain qui, face à ma mémoire bien souvent trop courte, m’ont patiemment
aiguillé pour l’utilisation du rugosimètre à chacun de mes séjours sur Strasbourg. Jean, ta rigueur
scientifique et ta modestie font de toi un modèle. Les discussions à la fois captivantes et
interminables que nous avons eues autour du couple « bière-Kebab » restent à mes yeux des
moments magiques. Merci également pour ce crochet en Turquie, et je salue par la même occasion
Hayrullah Karabulut ! Je remercie sincèrement Emily, Nicholas, Jamie… qui ont pris le temps de
déchiffrer mes longues phrases désastreuses en « franglais » lors de mes nombreux passages à Santa
Cruz… Un immense merci à Emily Brodsky pour m’avoir emmener en face de miroir de failles hors
normes. Je remercie également deux éminences grises de la physique des séismes: Yehuda Ben-Zion
et Giulio Di Toro. Chaque rencontre avec ces derniers fut des instants importants, riches en conseils.
Enfin, mes séjours au PGP d’Oslo ont été agréablement agrémentés par la présence de nombreuses
personnes que je remercie ici : Karen Mair, Dag Kristian Dysthe, Stéphane Santucci, Joachim
Mathiesen, Delphine Croizé. Karen, une véritable pépite ce Caol Ila !

C’est parti ! J’amorce à présent les amis qui ont jalonnés les sentiers rugueux empruntés durant mon
expérience de thèse. Merci à tous les étudiants, thésards, Masters de l’ex- LGCA, ex-LGIT, et,
soyons fou, de l’ISTerre, qui m’ont accompagnés durant ces dernières années. Allez, je me lance !
Ma révérence au trois lascars du bureau 349 : Chichi pour ton pragmatisme qui est presque devenu
un reflexe chez toi et m’a souvent régalé, Toto pour ta quiétude face à mes assauts sarcastiques
quotidiens et parce que tu es de loin le meilleur ! Ah Delu… merci d’avoir toujours été là pour
m’accompagner dans mes virées épicuriennes ! Ne changes pas, ne bouges pas, j’arrive d’ici peu…
Je vais placer ici directement ta douce Shaz, qui a subit à peu près toutes mes déviances machistes…
merci milles fois d’avoir été là ! Un grand merci à TSL, dit « la force tranquille » qui m’a fait
souvent relativisé face à mon stress permanent. Vient naturellement le Marcaillou, et son immense
efficacité dans la besogne, dont j’aurais aimé m’inspirer un peu plus. Je remercie ici les anciens, à
savoir : Bobby (merci pour le Big up à Patou), Marion (plus jamais de vélo…), Jérémie,
Thomas…vos fantômes hantent les locaux de l’ex-LGCA… Merci Carcaille pour toutes les fois que
tu m’as sorti la tête de mon écran avec tes histoires courtes. Un grand merci à Manu qui m’a à la fois
supporté en carto et lors de nos débats à teneur « politico-bituresque »… Je remercie également le
Steph (alias Schwarzy), arrivé sur le tard, mais qui ne cesse de me surprendre par sa facilité à
l’ineptie ! J’en arrive à l’irremplaçable Jejé ! Qu’est ce que j’aurais fait sans toi, et tes innombrables
« ca va toi ? ». Tu n’as jamais failli… Merci ! Je suis fier d’être ton ami.

Comment ne pas remercier mes amis de longue date : Patou, Flopi, Virginie, Ch