Dans la nature, un des ph´enom`enes les plus puissants et les plus fascinants est certainement le tremblement de terre.
Ces ph´enom`enes, meurtriers et responsables de tr`es importantes destructions, ponctuent l’histoire humaine.
En 1755, `a Lisbonne, un s´eisme estim´e entre 8.5 et 9 sur l’´echelle de Richter et son tsunami, rasa totalement la ville. Ceci ´eveilla les consciences et permit de mettre en place l’une des premi`eres ´etudes scientifiques sur les effets des secousses sismiques en examinant et quantifiant les dommages provoqu´es par cette catastrophe. C’est suite `a ce s´eisme que John Michell (1724-1793) sugg´era que des ondes se propageaient dans la Terre `a partir d’une rupture dans la croˆute terrestre. La sismologie moderne ´etait n´ee. Aux ´Etats-Unis, l’exemple historique le plus marquant est certainement le s´eisme de San Francisco en 1906. L’´ev`enement provoqua un glissement de 4 m sur plus de 400 km de long, d´etruisant 28 000 immeubles, et lib´era une
´energie sup´erieure `a 500 fois l’´energie de la bombe nucl´eaire d’Hiroshima. Un demi-si`ecle plus tard, le plus gros s´eisme jamais recens´e apparu au Chili. Celui-ci, d’une magnitude de 9.5, ´etait
´equivalent `a l’explosion d’une bombe de 2000 m´egatonnes (la plus grosse bombe atomique jamais construite, la Tsar Bomba, faisant 58 m´egatonnes). Il fit rompre la surface du globe sur plus de 800 km, avec un glissement de 21 m, et engendra ´eruptions volcaniques, des glissements de terrain et un tsunami atteignant 25 m de haut par endroit. Plus r´ecemment, le s´eisme de Tohoku-Oki en 2011 (Mw=9.0) au Japon a marqu´e le monde entier. Le s´eisme du Japon est un exemple parfait des probl`emes li´es aux risques sismiques puisque les constructions parasismiques ont parfaitement r´esist´e `a la puissance du s´eisme, mais certaines constructions, comme par exemple les digues ´erig´ees pour ´eviter une possible immersion des villes, n’´etaient pas suffisantes pour une secousse de magnitude 9 (elles l’´etaient par contre pour une magnitude Mw=8, ce que les scientifiques avaient estim´e pour cet endroit).
A d´efaut de pouvoir lutter contre ces ph´enom`enes, certains sismologues cherchent `a mieux les comprendre.
Une de leurs ´etapes passe par l’´etude du d´eclenchement sismique et par cons´equent sur le chargement des failles sismog`enes. Or, le paradigme classique d’un chargement tectonique `a vitesse constante produisant une r´ecurrence sismique est bouscul´e depuis plusieurs ann´ees par de nouvelles observations.
INTRODUCTION
En effet, les mesures g´eod´esiques (GPS, InSAR, extensom`etres, inclinom`etres) ont montr´e des ph´enom`enes de glissements plus lents que pour des s´eismes, mais tout aussi important en terme d’´energie lib´er´ee, sur l’ensemble du globe. Le probl`eme de ces donn´ees est qu’elles ne me-surent que les d´eplacements en surface. Par cons´equent, les repr´esentations de ces ph´enom`enes en profondeur passent par des mod`eles d’inversions se heurtant `a des probl`emes de r´esolutions temporelles ou spatiales, ou encore par une connaissance limit´ee des structures profondes.
Une des alternatives est alors de d´etecter l’apparition de ces mouvements lents transitoires `a travers l’´evolution du taux de sismicit´e li´ee `a ces ph´enom`enes. Ainsi, avec le d´eveloppement ins-trumental depuis le XXieme si`ecle, la quantit´e d’information provenant des catalogues sismiques a ´et´e de plus en plus compl`ete et pr´ecise.
L’objectif des scientifiques travaillant dans ce domaine est alors de caract´eriser la sismicit´e dans deux grands domaines.
Dans le premier cas, ce sont les chargements tectoniques long-termes ou ´episodiques qui g´en`erent la sismicit´e. Ces s´eismes sont dits ”de fond” et correspondent `a la part de sismicit´e spontan´ee et ind´ependante de toute sismicit´e pass´ee. La seconde partie d´eclenchant la sismicit´e est li´ee aux ph´enom`enes d’interactions entre les s´eismes. Cette sismicit´e d´epend de l’influence spatiale et temporelle des s´eismes ant´erieurs. Cette derni`ere composante a l’avantage de pouvoir ˆetre estim´ee en utilisant des lois ph´enom´enologiques.
Des mod`eles d’occurrence de la sismicit´e bas´es sur cette s´eparation existent. Les plus simples de ces mod`eles s´eparent la sismicit´e de mani`ere binaire, les plus complexes expriment la proba-bilit´e que chaque ´ev´enement soit ”de fond”, mais tous reposent sur une param´etrisation souvent subjective effectu´ee par l’op´erateur. De plus, dans les mod`eles les plus ´evolu´es, ceux-ci consi-d`erent la part li´ee au chargement tectonique comme ´etant d´ependante soit du temps, soit de l’espace.
L’´etape suivante de ces mod`eles d’occurrence est donc de d´etecter les ´episodes d’augmen-tation de la sismicit´e de fond en les reliant `a des augmend’augmen-tations du taux de for¸cage tectonique lors d’´episodes transitoires.
Le travail pr´esent´e ici va dans ce sens.
L’objectif de cette th`ese est de d´etecter les variations de la sismicit´e de fond en temps et en espace `a partir des donn´ees de catalogues de sismicit´e. Ainsi, le mod`ele d´evelopp´e ici permet de d´eterminer et quantifier la part de la sismicit´e d´eclench´ee de mani`ere asismique. Ce mod`ele fait ressortir les amas de sismicit´e ne pouvant pas s’expliquer par les lois de d´eclenchement sismique connues.
A partir de l`a, nous faisons le lien entre les d´eformations transitoires et nos amas anormaux de sismicit´e.
Ce manuscrit est organis´e de la mani`ere suivante : dans une premi`ere partie, les chapitres se consacrent `a faire un point sur les diff´erents principes n´ecessaires `a la compr´ehension de cette 22
INTRODUCTION th`ese. Dans cette optique, le premier chapitre ´enonce succinctement les diff´erents m´ecanismes g´en´erant la sismicit´e, et le second introduit les lois d’´echelle sp´ecifiques qui sont n´ecessaires `a l’´elaboration de la m´ethode pr´esent´ee ici. Finalement, cette premi`ere partie s’ach`eve sur une pr´esentation des premi`eres m´ethodes de s´eparation de la sismicit´e.
Dans la seconde partie, la d´emarche et le mod`ele d´evelopp´es durant cette th`ese sont d´ecrits.
Le mod`ele se base sur un mod`ele ETAS (”Epidemic-Type Aftershock Sequence”) dans lequel l’´evolution de la sismicit´e de fond s’effectue en temps et en espace. Le chapitre suivant conclut cette partie en se consacrant `a plusieurs tests de sensibilit´e permettant de d´efinir les limites de validit´e du mod`ele.
La troisi`eme partie s’attache `a l’application du mod`ele sur diff´erents cas d’´etudes pr´esen-tant des ´episodes transitoires de d´eformation. Dans le premier cas, je me focalise sur les ˆıles Al´eoutiennes qui est une zone o`u la sismicit´e associ´ee est principalement situ´ee au niveau du plan de subduction, et qui pr´esente des ´episodes transitoires. Ce premier travail a fait l’objet d’une publication `a Earth and Planetary Science Letters.
Dans la zone d’´etude suivante, je m’int´eresse au Japon. Cette partie du monde, tectonique-ment unique, est le si`ege d’une multitude d’´episodes transitoires. Tout d’abord, je me concentre sur les Slow Slip Events (”SSEs”) se d´eroulant `a la p´eninsule de Boso, o`u les nombreuses ´etudes g´eod´esiques sur le glissement nous permettent de mettre `a jour une relation entre l’augmenta-tion de la sismicit´e de fond et l’´energie relˆach´ee au cours de ces SSEs. Puis, je me concentre sur la zone de Nankai et j’essaie de d´etecter des amas de sismicit´e pouvant s’expliquer par des ph´enom`enes transitoires. Dans ce cas, je ne d´etecte pas d’anomalie de sismicit´e au niveau de secteurs tels que Shikoku, zone o`u de nombreux ´episodes transitoires profonds et de SSEs se d´eroulent. Par contre, je d´etecte des anomalies sismiques au large de l’ˆıle de Kyushu.
Finalement, je m’´eloigne des contextes de subduction et je termine mes ´etudes de cas par une quantification des SSEs se d´eroulant le long du flanc sud du Kilauea, sur l’ˆıle d’Hawaii.
Nous montrons ici que la d´etection des SSEs par la sismicit´e est plus complexe et plusieurs m´ecanismes existent pour expliquer l’occurrence de ces d´eformations lentes.
Cette th`ese se termine par une mise en perspective des r´esultats pr´esent´es ainsi que des possibilit´es d’´evolutions de la m´ethode d´evelopp´ee, comme par la cr´eation de mod`eles hybrides couplant des mod`eles de sismicit´e statistique et des mod`eles m´ecaniques.