Séismes d'hier et d'aujourd'hui Des clefs pour comprendre les ...

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    Mmoire en vue dobtenir le diplme

    dHabilitation Diriger des Recherches

    de lUniversit Paris 7, D. Diderot

    Sismes dhier et daujourdhui Des clefs pour comprendre les sismes de demain ?

    Yann Klinger

    Equipe de Tectonique

    Institut de Physique du Globe de Paris Soutenue le 19 Juin 2007 devant le jury compos de P. Tapponnier IPGP M. Campillo LGIT S. Wesnousky Univ. Reno, Nevada R. Armijo IPGP D. Pantosti INGV P. Bernard IPGP

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    1 PREAMBULE 3

    2 CYCLE SISMIQUE : MODELES ET DONNEES EXISTANTS 4

    2.1 De la notectonique au cycle sismique, une transition naturelle 4

    2.2 Cycle sismique, de nombreux modles 10 2.2.1 Le modle priodique et ses variations 11 2.2.2 sismique et gomtrie de la faille 15

    2.3 Cycle sismique, de trop rares donnes 18 2.3.1 Donnes instrumentales 18 2.3.2 Donnes sismologiques historiques 20 2.3.3 Donnes gomorphologiques et palosismologiques 22

    3 RESUME DE QUELQUES TRAVAUX PERSONNELS RECENTS CONCERNANT LA PROBLEMATIQUE DU CYCLE SISMIQUE 28

    3.1 Sismes anciens 29 3.1.1 Sries temporelles 30

    3.1.1.1 Palosismicit de la faille de Haiyuan, Chine 30 3.1.1.2 Palosismicit de la faille de Yammouneh, Liban 33

    3.1.2 Dplacement co-sismique pour les palosismes 38 3.1.2.1 La faille Nord Anatolienne et le sisme dIzmit, Turquie 38 3.1.2.2 Glissement caractristique sur la faille de San Andreas, Californie 41

    3.2 Sismes rcents 46 3.2.1 Le sisme de Kokoxili, une rupture majeure pour un sisme majeur 47 3.2.2 De la cartographie la mcanique 50 3.2.3 Segmentation de la rupture 52

    4 DISCUSSION ET PERSPECTIVES 55

    5 BIBLIOGRAPHIE RELATIVE AUX PARTIES 1 A 4 62

    6 RENSEIGNEMENTS ADMINISTRATIFS 66

    6.1 Curriculum Vitae 66

    6.2 Enseignements et encadrements de recherche 67

    6.3 Liste complte des rfrences (Mars 2007) 68

    7 PUBLICATIONS ILLUSTRANT LES TRAVAUX LES PLUS IMPORTANTS 74

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    1 Prambule Et alors, les sismes on peut toujours pas les prvoir ? Mais quoi vous servez !

    Cette question relve presque de la brve de comptoir et pourtant peu de gologues et encore moins de sismologues y ont chapp au cours de leur carrire. Alors, ne peut-on vraiment rien dire ? Au cours des 20 dernires annes, la sismotectonique et la notectonique sont venues bouleverser notre savoir en matire de failles actives et de sismes et, profitant des progrs technologiques, de nouvelles mthodes ont t inventes qui nous ont permis de cartographier les failles, destimer les vitesses de glissement et de comprendre les sources sismiques avec toujours plus de prcision. A un certain niveau, cela nous permet dj de faire beaucoup de prvisions ; par exemple, les sismes dIzmit et Dzce en 1999 avaient t prdits et le sisme qui se produira dans la Mer de Marmara dici la fin de ce sicle est prdit. De la mme faon, cela nest pas forcment savancer beaucoup que de prdire quun grand sisme se produira sur la partie sud de la faille de San Andreas dans les 100 ans venir. Cependant on le sent bien, ces prdictions ne sont pas suffisantes, notamment face la demande socitale, car elles ne sont pas assez prcises et ne permettent pas danticiper les sismes court terme. Le rve de tout un chacun serait naturellement de pouvoir disposer dun bulletin sismologique comme lon dispose dun bulletin mtorologique.

    Ce qui me semble clair, cest quavec les seuls outils de la sismotectonique et de la notectonique on ne pourra pas rpondre cette question et quil est ncessaire de dvelopper de nouvelles techniques qui nous permettent dacqurir les donnes pertinentes pour comprendre comment sorganise lactivit sismique au cours du temps et de lespace, de faon dtaille. Brivement il sagit de savoir si le cycle sismique existe et, dans laffirmative, de savoir comment il sorganise, premier pas vers une possible prdiction plus court terme. La majeure partie du travail prsent dans ce mmoire est tourne vers cet objectif. Dune part, directement aux travers dtudes palosismologiques qui nous permettent de mieux comprendre lactivit sismique passe de certaines failles en particulier. Dautre part, au travers de ltude dun trs grand sisme instrumental qui nous permet de mieux comprendre les processus mis en jeu lors dun sisme, processus dont nous navons forcment quune vue trs partielle quand il sagit dtudier les sismes anciens.

    Ce manuscrit est organis en trois parties. Dans une premire partie je fais un rapide inventaire des principaux modles de cycle sismique qui ont t proposs ainsi que des principales hypothses et conditions qui sont derrires. Je rappelle aussi quelques observations clefs qui ont marques les tudes sur le cycle sismique et les sismes anciens. La deuxime partie est directement consacre mes propres travaux dans cette thmatique. Dans une troisime partie jindique quelques pistes que jenvisage de suivre pour prolonger ce travail, certaines tant dj engages et dautres simplement ltat de projet.

  • 4

    2 Cycle sismique : modles et donnes existants

    2.1 De la notectonique au cycle sismique, une transition naturelle

    La fin des annes 70, au sortir de lbullition cre par lavnement nouveau de la

    tectonique des plaques, est lpoque dune comprhension nouvelle des grands systmes

    tectoniques actifs, comme par exemple la Mditerrane ou lAsie [Tapponnier, 1977; Molnar

    and Tapponnier, 1978; Garfunkel, et al., 1981]. En effet, cette poque, avec le

    dveloppement permanent des rseaux de sismomtres, notamment le rseau WWSSN, le

    nombre de mcanismes au foyer disponibles augmente rapidement, qui permettent de

    diffrentier les sismes suivant le type de dformation quils accommodent et de les

    interprter dans un schma cohrent de dformation lchelle continentale [McKenzie,

    1972; Jackson and McKenzie, 1984]. Paralllement des progrs considrables sont fait dans

    lutilisation nouvelle de limagerie satellitaire qui permet de ne plus se concentrer uniquement

    sur un petit bout daffleurement spcifique mais dembrasser les structures gologiques dans

    leur ensemble. Ces images, et notamment les images satellites Landsat, permettaient, grce

    cette vue densemble, de percevoir la cohrence du systme tectonique et du mme coup den

    comprendre le fonctionnement mcanique [Tapponnier and Molnar, 1977; Armijo, et al.,

    1986]. Cette appropriation de ce nouvel outil par des disciplines qui taient elle-mme en

    train de natre, la notectonique et la sismotectonique, tait en soit une rvolution et a permis

    des avances majeures. La limitation principale de ce travail tait la trs grande difficult de

    dater prcisment les structures Quaternaires rcentes affectes par ces failles nouvellement

    identifies, afin de dterminer les taux de dformation rcents. La seule possibilit tait

    dutiliser, dans le cas par exemple dun dcrochement, lage gologique des formations

    dcales par les failles, ce qui ne donnait accs le plus souvent qu une borne infrieure du

    taux de dformation, au mieux moyen terme, le plus souvent long terme [Quennell, 1958;

    Freund, et al., 1968].

    La deuxime rvolution de la notectonique sest droule au dbut des annes 90.

    Elle concerne les progrs important en matire de datation des formations gologiques

    Quaternaires rcentes. Dune part, les datations 14C furent considrablement amliores grce

    aux mesures faites avec des acclrateurs de particules et la calibration des ages 14C [Bard,

    et al., 1990]. Dautre part, les annes 90 ont vu lapparition dautres mthodes de datation qui

    utilisent les isotopes cosmogniques 10Be, 26Al et 36Cl pour mesurer le temps dexposition au

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    bombardement par des particules dchantillons collects sur les surfaces que lon souhaite

    dater [Gosse and Phillips, 2001]. Ces mthodes non seulement permettent de dater des

    formations ne contenant pas de restes organiques, lments ncessaires pour le 14C, mais elles

    permettent aussi de dpasser largement la limite des 45000 ans 50000 ans qui est

    intrinsquement lie aux datations 14C. Lapplication de ces mthodes de datation, associe

    une utilisation intensive de limagerie satellitaire, a permis, grce aussi une meilleure

    comprhension des processus de morphogense, de dterminer le taux de glissement

    Quaternaire pour de nombreuses failles actives de la plante, notamment en Asie [Lasserre, et

    al., 2002; Van Der Woerd, et al., 2002; Ritz, et al., 2003; Chevalier, et al., 2005; Meriaux, et

    al., 2005], en domaine mditerranen [Klinger, et al., 2000a; Benedetti, et al., 2002; Daron,

    et al., 2004; Palumbo, et al., 2004] ou en Amrique du Nord [Matmon, et al., 2005; Matmon,

    et al., 2006; Van der Woerd, et al., 2006].

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    Figure 1 : reconstruction de la gomtrie initiale du cne alluvial dIndio. La vignette du haut montre la gomtrie actuelle, avec les branches actives de la faille de San Andreas ainsi que les diffrentes surfaces de dpt qui sont identifiables. Les vignettes du bas montrent une reconstruction possible de la surface T2 dans sa gomtrie de dpt. La datation de la surface T2 nous a permis destimer une vitesse moyenne sur ~36ka de 16mm/an pour cette branche de la faille de San Andreas. Daprs [Van der Woerd, et al., 2006].

    La figure 1 illustre le principe dune telle mesure dans le cas dune faille dcrochante. Elle

    illustre aussi certaines difficults qui sont associes ce type de mesure : La gomtrie de la

    faille peut tre complexe et rendre impossible une reconstruction univoque de la forme initiale

    de lobjet dcal. Lidentification de surfaces alluviales dge identique de part et dautre de

    la faille peut tre difficile du fait dune rosion diffrente des surfaces. Enfin les stratgies