Toward the understanding of seismic sequences : from spatial observation to numerical modeling. Application to the NE Lut earthquake sequence, Iran

Description

Many studies show that static and postseismic stress transfers play an important role in the occurrence of seismic sequences. However, a large majority of these studies involves seismic sequences that occurred within fault systems having simple geometric configurations (e.g. collinear or parallel fault system). In this thesis, we study a seismic sequence that occurred within a complex fault system (i.e. conjugate fault system), the NE Lut seismic sequence (1939-1997, NE Iran), in order to assess if (1) stress transfers can explain the succession of earthquakes in the sequence and (2) stress transfers can lead to the synchronization of the NE Lut faults over multiple seismic cycles. To this end, we first measure the surface displacement field produced by the sequence in order to precisely constrain the stress transfer modeling afterwards. We use optical correlation technique to measure the surface displacement fields of the Khuli-Boniabad (Mw 7.1, 1979) and Zirkuh earthquake (Mw 7.2, 1997). We find that these earthquakes broke several segments limited by geometrical complexities of the faults. We interpret the differences in failure style of these earthquakes (i.e. rupture length, mean slip and number of broken segments) as being due to different level of structural maturity of the Dasht-e-Bayaz and Abiz faults. Furthermore, we succeed to detect offsets produced by the 1979 Mw 6.6 Korizan earthquake. It is the first time that surface displacements for such a small historical earthquake have been measured using optical correlation. Then, combining previously published intermediate-field InSAR data and our near-field optical data, we estimate a new source model for the Zirkuh earthquake (Mw 7.2, 1997). We show that near-field data are crucial to better constrain the fault geometry and the slip distribution at depth. According to our source model, the Zirkuh earthquake broke three asperities separated by geometrical barriers where aftershocks are located. No shallow slip deficit is found for the overall rupture except on the central segment where it could be due to off-fault deformation in quaternary deposits. Finally, we use the information acquired in the first parts of this work to model the stress transfers within the NE Lut sequence. We find that 7 out of 11 earthquakes are triggered by the previous ones and that the precise modeling of the rupture geometry is crucial to robustly estimate the stress transfers. We also show that the Zirkuh earthquake is mainly triggered by the moderate earthquakes of the NE Lut sequence. Lastly, the simulation of multiple seismic cycles on the NE Lut fault system shows that stress transfers, in particular postseismic stress transfers due to viscoelastic relaxation, enhance the number of seismic sequences and synchronize the rupture of the faults. The simulations also show that the order in which the Mw>7 earthquakes occurred during the NE Lut sequence is quite exceptional.

Abstract (French)

De nombreuses études montrent que les transferts de contrainte co- et postsismiques jouent un rôle majeur dans l'occurrence des séquences de séismes. Cependant, la grande majorité de ces études implique des systèmes de failles à la configuration géométrique simple (e.g. failles parallèles ou colinéaires). Dans cette thèse, nous étudions une séquence de séismes s'étant produite au sein d'un système de failles à la configuration géométrique plus complexe (i.e. failles conjuguées), la séquence du NE Lut (1939-1997, NE Iran), afin d'évaluer (1) si les transferts de contrainte favorisent la succession de séismes de la séquence et (2) s'ils permettent sur le long-terme de synchroniser les ruptures des failles du système. Pour cela, nous mesurons d'abord les déformations de surface produites par la séquence afin de mieux contraindre par la suite la modélisation des transferts de contrainte. A partir de la technique de corrélation subpixel d'images optiques, nous mesurons les champs de déplacements de surface horizontaux produits par les séismes de Khuli-Boniabad (Mw 7.1, 1979) et de Zirkuh (Mw 7.2, 1997). Nous montrons que ces séismes sont caractérisés par la rupture de plusieurs segments dont les limites sont corrélées avec les complexités géométriques des failles. Nous interprétons les différences de leurs caractéristiques de rupture (longueur de rupture, glissement moyen, nombre de segments rompus) comme étant dues à des différences de maturité des failles de Dasht-e-Bayaz et d'Abiz. Nous détectons également les déplacements produits par un séisme historique modéré, le séisme de Korizan (Mw 6.6, 1979). C'est la première fois que les déplacements produits par un séisme historique de si petite taille sont mesurés par corrélation d'images optiques. Ensuite, en combinant le champ de déplacements InSAR déjà publié avec les données optiques proche-faille précédemment acquises, nous estimons un nouveau modèle de source pour le séisme de Zirkuh (Mw 7.2, 1997). Nous montrons que les données proche-faille sont essentielles pour mieux contraindre la géométrie de la rupture et la distribution du glissement en profondeur. Le modèle estimé montre que le séisme de Zirkuh a rompu trois aspérités séparées par des barrières géométriques où les répliques du séisme se localisent. Seul le segment central de la faille présente un déficit de glissement en surface que nous interprétons comme étant dû à de la déformation distribuée dans des dépôts quaternaires non consolidés. Enfin, à partir des informations précédemment acquises, nous modélisons les transferts de contrainte au cours de la séquence du NE Lut. Nous montrons que ceux-ci ont favorisé l'occurrence de 7 des 11 séismes de la séquence et que modéliser précisément la géométrie des ruptures est essentiel à une estimation robuste des transferts de contrainte. De plus, nous montrons que l'occurrence du séisme de Zirkuh (Mw 7.2, 1992) est principalement favorisée par les séismes modérés de la séquence. Pour finir, la simulation d'une multitude de cycles sismiques sur les failles du NE Lut montre que les transferts de contrainte, en particulier les transferts postsismiques liés à la relaxation viscoélastique de la lithosphère, sont le principal processus permettant la mise en place répétée de séquences de séismes sur les failles du NE Lut. Enfin, d'après les simulations réalisées, l'ordre dans lequel se sont produits les séismes majeurs durant la séquence du NE Lut est assez exceptionnel.

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