Observation and modelling of deformation associated with the seismic cycle along the Chilean subduction interface
Observation et modélisation du cycle sismique le long de l’interface de subduction chilienne
Résumé
By suddenly inducing strong variations in stress at depth, subduction earthquakes are unique experiments for studying the mechanical behavior of the
Earth’s deep layers. Thanks to the continuous development of GPS observation networks, the deformation of the lithosphere during the seismic cycle can
be measured with millimetric precision. During the post-seismic part of the cycle, millimetric deformations are measured on large temporal scales (from one year to several decades) and spatial scales (thousands of kilometers). These deformations are caused by the viscoelastic relaxation of earthquake-induced stresses in the asthenosphere. In the last decades, elastic models have been widely used to reproduce deformations close to the subduction trench during the seismic cycle. However, such models do not take into account the viscoelastic properties of the Earth and are therefore unable to reproduce far-field deformations. In this PhD, I aimed to analyze and demonstrate the importance of viscoelastic effects on the modeled deformation of the South American plate in response to the seismic cycle along the Chilean subduction interface. I also have investigated what the deformations measured by GPS tell us about the viscosity of the asthenosphere. To this end, I have developed a new 3D spherical finite-element mesh of the Chilean subduction covering the entire South American continent. I have shown that the size of the mesh’s bounding box must be well larger than the size of the zone under study. In addition, this mesh incorporates the flat subduction opposite the Illapel region in Chile. These variations in the slab dip angle must be taken into account, as they have an impact on the deformations measured by GPS. I have demonstrated this by comparing the post-seismic vertical deformations of the Maule and Illapel earthquakes. By comparing the co- and post-seismic deformations generated by the three major Chilean earthquakes of the 21st century, I have shown that the creep in the asthenosphere is linear (Newtonian). This creep linearity allows us to decompose the deformation of the South American continent as the sum of the deformation induced by each segment of the Chilean subduction. I also have shown that, within the scope of viscoelastic modeling, current deformation is impacted not only by the most recent earthquake, but also by those that preceded it. Using these models, I have finally shown that the effective viscosity of the asthenosphere varies during the seismic cycle, and needs to be modeled by so-called multi-Burgers linear rheologies, involving a Maxwell element and several Kelvin-Voigt elements in series.
En induisant soudainement de fortes variations de contraintes en profondeur, les séismes de subduction s’avèrent être des expériences privilégiées pour
étudier le comportement mécanique de l’intérieur de la Terre. Grâce au développement continu des réseaux d’observations GPS, il est possible de mesurer
avec une précision millimétrique la déformation de la lithosphère au cours du cycle sismique. Durant la phase post-sismique du cycle, des déformations
millimétriques sont ainsi mesurées sur de larges échelles temporelles (d’une année à plusieurs décennies) et spatiales (milliers de kilomètres). Ces
déformations sont dues à la relaxation viscoélastiques des contraintes induites par les séismes dans l’asthénosphère.
Ces dernières décennies, les modèles élastiques ont été largement utilisés pour reproduire les déformations à proximité de la fosse de subduction au
cours du cycle sismique. Cependant, de tels modèles ne tiennent pas compte du caractère viscoélastique de certaines couches profondes de la Terre,
et ne permettent donc pas de reproduire les déformations en champ lointain. Au cours de ce travail de thèse, j’ai donc cherché à analyser et démontrer
l’importance des effets viscoélastiques sur la déformation modélisée de la plaque Amérique du Sud en réponse au cycle sismique le long de l’interface de
subduction chilienne. J’ai également cherché à déterminer ce que les déformations mesurées par GPS nous apprennent sur la viscosité de l’asthénosphère.
Pour ce faire, j’ai développé un nouveau maillage 3D sphérique en éléments-finis de la subduction chilienne couvrant la totalité du continent sud-
américain. J’ai montré que la taille de la boîte englobante du maillage doit être largement supérieure à la taille de la zone étudiée. De plus, ce maillage
intègre la subduction quasi horizontale en face de la région d’Illapel au Chili. Ces variations de pendage du slab doivent être prises en compte, car elles
ont un impact sur les déformations mesurées par GPS. Je l’ai démontré en comparant les déformations verticales post-sismiques des séismes de Maule et
d’Illapel. En comparant les déformations co- et post-sismiques générées par les trois grands séismes chiliens du 21ème siècle, j’ai montré que le fluage
dans l’asthénosphère est linéaire (Newtonien). Cette linéarité du fluage permet de décomposer la déformation du continent sud-américain comme la
somme de la déformation induite par chacun des segments de la subduction chilienne. J’ai également montré, que dans le cadre de la modélisation
viscoélastique, la déformation actuelle est impactée non seulement par le séisme le plus récent, mais également par ceux qui l’ont précédé. Grâce à
ces modèles, j’ai montré que la viscosité effective de l’asthénosphère varie au cours du cycle sismique et nécessite d’être modélisée par des rhéologies
linéaires dites multi-Burgers, mettant en série un élément de Maxwell et plusieurs éléments de Kelvin-Voigt.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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