This dissertation explores the capability of dense seismic array data for imaging the rupture properties of earthquake sources using a method known as back-projection. Only within the past 10 or 15 years has implementation of the method become feasible through the development of large aperture seismic arrays such as the High Sensitivity Seismograph Network in Japan and the Transportable Array in the United States. Coincidentally, this buildup in data coverage has also been accompanied by a global cluster of giant earthquakes (Mw>8.0). Much of the material in this thesis is devoted to imaging the source complexity of these large events. In particular, evidence for rupture segmentation, dynamic triggering, and frequency dependent energy release is presented. These observations have substantial implications for evaluating the seismic and tsunami hazards of future large earthquakes. In many cases, the details of the large ruptures can only be imaged by the back-projection method through the addition of different data sets and incorporating additional processing steps that enhance low-amplitude signals. These improvements to resolution can also be utilized to study much smaller events. This approach is taken for studying two very different types of earthquakes. First, a global study of the enigmatic intermediate-depth (100-300 km) earthquakes is performed. The results show that these events commonly have sub-horizontal rupture planes and suggest dynamic triggering of multiple sub-events. From these observations, a hypothesis for the generation of intermediate-depth events is proposed. Second, the early aftershock sequences of the 2004 Mw 9.1 Sumatra-Andaman and 2011 Mw 9.0 Tohoku, Japan earthquakes are studied using the back-projection method. These analyses show that many events can be detected that are not in any local or global earthquake catalogues. In particular, the locations of aftershocks in the back-projection results of the 2011 Tohoku sequence fill in gaps in the aftershock distribution of the Japan Meteorological Agency catalogue. These results may change inferences of the behavior of the 2011 mainshock, as well as the nature of future seismicity in this region. In addition, the rupture areas of the largest aftershocks can be determined, and compared to the rupture area of the mainshock. For the Tohoku event, this comparison reveals that the aftershocks contribute significantly to the cumulative failure area of the subduction interface. This result implies that future megathrust events in this region can have larger magnitudes than the 2011 event. / Earth and Planetary Sciences

L’origine de la sismicité intermédiaire est discutée dans la communauté scientifique depuis des décennies. L’occurrence des séismes sous des conditions élevées en pression et température ne peut pas être expliquée par les modèles classiques qui reposent sur le comportement fragile des matériaux. Les observations géophysiques combinées aux calculs thermodynamiques montrent que dans les zones de subduction, une partie des tremblements de terre du plan Wadati-Benioff supérieur peut être corrélée avec l’éclogitisation des schistes bleus de la croûte océanique. Ces interprétations, basées sur la géophysique et la modélisation thermodynamique, sont supportées par la présence des pseudotachylites dans les roches de haute pression sur le terrain. La motivation de cette thèse est d’établir un lien entre les réactions métamorphiques pendant l’éclogitisation des schistes bleus/granulites et la formation des séismes intermédiaires en utilisant des méthodes expérimentales (D-DIA et Griggs). Les résultats expérimentaux sur tous les échantillons testés démontrent que la densification pendant les réactions d’éclogitisation joue un rôle clé dans l’activation des mécanismes fragiles, mis en lumière par l’enregistrement d’émissions acoustiques pendant les expériences. Pour les expériences réalisées sur les échantillons de schistes bleus, la transition ductile-fragile est associée à la dégradation thermique du glaucophane pendant la réaction lawsonite- éclogite. Ce résultat est en accord avec la relocalisation et la fréquence de la sismicité intermédiaire dans la partie supérieure du plan Wadati-Benioff. Les résultats préliminaires sur la déformation des granulites montrent que les évènements fragiles enregistrés à haute pression et haute température sont associés à la dégradation thermique des plagioclases, qui induit par une importante réduction de volume. Ces résultats sont également en accord avec les observations géophysiques et géologiques. La distribution des émissions acoustiques enregistrées pendant les expériences révèlent des lois de Gutenberg-Richter similaires à celles observées pour les tremblements de terre naturels. Grace aux corrélations entre nos résultats expérimentaux et les connaissances sur les séismes intermédiaires naturels, nous concluons que les mécanismes expliquant la sismicité pendant nos expériences peuvent expliquer la formation des séismes intermédiaires naturels. Nous proposons ainsi que le processus de densification pendant les réactions d’éclogitisation, qui est associé à une réduction de la taille des grains, est un mécanisme d’affaiblissement commun qui peut expliquer la sismicité intermédiaire. / The origin of intermediate-depth seismicity has been debated for decades, because its formation at elevated depths cannot be explained by classic rock fracture and friction theory. Geophysical and field observations demonstrate that intermediate-depth earthquakes occur in hydrous rocks of the subducting oceanic crust as well as in nominally anhydrous rocks of the lower continental crust. n subduction zones the eclogitization of blueschist correlates very well with the relocation of intermediate-depth earthquakes forming the upper Wadati-Benioff plane and in continent-continent collision zones seismicity is recorded in areas of partially eclogitized granulites. The aim of this thesis is to experimentally investigate the potential of metamorphic reactions during eclogitization on the formation of intermediate-depth earthquakes in the oceanic and the continental crust. For the deformation experiments (D-DIA and Griggs) natural samples, were selected to study the eclogitization of blueschist and granulite in the laboratory. Experimental results on all investigated samples demonstrate that densification during eclogite-facies reaction plays a key role to enable faulting accompanied by acoustic emissions in the laboratory. In blueschist samples the breakdown of glaucophane during the transition from lawsonite-blueschist to lawsonite-eclogite acts as trigger for brittle failure. This is in good agreement with the relocation and frequency of natural intermediate-depth earthquakes of the upper Wadati-Benioff-plane. The preliminary results on granulite deformation show that the breakdown of plagioclase, accompanied by a pronounced volume decrease, weakens the sample to enable brittle failure at high-pressure/high-temperature conditions. Also these results match very well with geophysical and field observations. Gutenberg-Richter distribution of the acoustic emissions reveal that the events recorded during deformation follow the same physical law as earthquakes in nature. Together with the good correlation to natural observation we conclude that natural seismic events are caused by the same underlying mechanisms as our small lab-earthquakes. Based on the experimental results on various natural rock samples we propose densification in conjunction with grain-size reduction during eclogitization as a common weakening mechanism for intermediate-depth earthquakes in lower crustal rocks.

Les séismes intermédiaires (40-325 km de profondeur) ont été largement documentés dans les plaques océanique en subduction mais leur mécanismes déclencheurs restent énigmatiques et très peu compris en raison (I) des incertitudes instrumentales sur l'acquisition des données géophysiques et (II) de la rareté des exemples de roches métamorphisées dans des conditions du faciès éclogites et préservant (sans ambiguïté) les structures produites par des séismes intermédiaires. Bien que toujours limité, il y a de plus en plus de preuves que les lambeaux « fossiles » de lithosphère océanique exhumée de taille pluri-kilométrique peuvent enregistrer les processus chimiques et mécaniques caractéristiques de la sismicité de profondeur intermédiaire. Ce projet de doctorat étudie l'impact de la libération et de l'infiltration des fluides métamorphiques sur la génération des brèches éclogitiques disséminées dans une zone de cisaillement de 15 km de long, exposée dans un fragment presqu’intact de lithosphère océanique Tethysienne, subduite jusqu'à 80 km de profondeur (2.6 GPa - 550 ° C, unité du Lago Superiore): le complexe métaophiolitique du Mont Viso (W Alps, Italie). Trois zones de cisaillement majeures ont été étudiées, et en particulier la Lower Shear Zone (LSZ), dans laquelle des blocs de métagabbros mylonitiques éclogitisés et brechifiés (potentiellement lors d’une phase sismique) sont dispersés, avec des blocs métasédimentaires, dans la matrice serpentineuse de la zone de cisaillement.Dans cette dernière zone de cisaillement, une attention particulière a été portée à la caractérisation pétrologique et structurale de 196 blocs exhibant ces brèches (dans lesquels plus de 100 échantillons ont été récoltés), notamment à travers l’étude (i) de leur répartition dans la zone de cisaillement et (ii) de leurs caractéristiques morphologiques (longueur, largeur, hauteur, volumétrie relative de la matrice par rapport aux clastes et nature des clastes). Ces données ont été synthétisées dans une nouvelle carte géologique détaillée des méta-ophiolites du Mont Viso à l’échelle 1 : 20.000. L’étude pétro-structurale a permis de montrer que la formation des brèches résulte de passages transitoires de la déformation ductile à cassante dans le faciès éclogitique, comme le montre la foliation mylonitique dues métagabbros (composée de l’assemblage omphacite + rutile ± grenat et quartz) recoupé par des plans de brèches cimentées par des matrices riches en omphacite ± grenat et lawsonite. Elle montre également que la formation des brèches n'est pas liée à des événements pré-alpins (brèches sédimentaires ou tectoniques superficielles) comme d’autres auteurs l’ont proposé (Balestro et al. 2013; Festa et al. 2015). L'analyse des éléments en trace (in-situ et dans la roche totale), en lien avec une caractérisation rigoureuse des microstructures dans les blocs de brèches, a permis de mettre en évidence un changement progressif des fluides circulant pendant la bréchification. Les premières ruptures fragiles (locales, M1) ont été déclenchées par des fluides dérivés localement (e.g. metagabbros) avec une injection progressive de fluides «exotiques» (dérivés de la déshydratation de serpentinite) provoquant la bréchification dans l'intégralité des LSZ and ISZ (avec la cristallisation de M2 et M3). En raison de l'extension limitée des affleurements, l'origine sismique des brèches eclogitiques reste spéculative. Néanmoins, plusieurs preuves (par exemple, les minéraux fracturés et décalés le long des niveaux micrométriques riches en omphacite) suggèrent que les brèches d'eclogite du Monviso ont été générées par rupture fragile instantanée. / Intermediate-depth earthquakes (40-325 km depth) have been extensively documented within subducting oceanic slab but their triggering mechanisms remain enigmatic due to (I) the instrumental uncertainties on geophysical data acquisition and (II) the scarcity of examples of exhumed (and unambiguously recognized) eclogite-facies earthquake-derived rocks. Although still limited, there is growing evidence that large-scale, “fossil” exhumed portions of subducted lithosphere may record both chemical and mechanical processes operating in the depth range of intermediate-depth seismicity. This thesis project investigates the role of metamorphic fluids in the formation of the eclogitic breccias (resulting from potentially seismic deformation) found in a 15 km-long shear zone developed in an almost intact fragment of Tethyan oceanic lithosphere metamorphosed to eclogite-facies peak metamorphic conditions (2.6 GPa - 550 °C) during Alpine subduction: the Monviso metaophiolite complex (W. Alps). Three major shear zones cutting across the complex at low angle were studied, with a major focus on the Lower Shear Zone -LSZ-, where blocks of variably brecciated (and potentially seismically-derived) Fe-Ti and Mg-Al metagabbros are embedded, together with metasedimentary blocks, in a talc and tremolite-rich serpentinite matrix. Particular attention was paid to the petrological and structural characterization of 196 breccia blocks (in which more than 100 samples were collected), with (i) detailed analysis and mapping of their distribution in the LSZ and (ii) morphological characterization (block size, relative volume of matrix with respect to clasts and matrix-clast composition). These data have been synthesized in a new detailed geological map of Monviso meta-ophiolite at a scale of 1: 20,000. The mylonitic foliation of intact Mg-Al-rich metagabbros (composed of omphacite + rutile ± ex-lawsonite ± quartz and locally garnet) cut by breccia planes (cemented by omphacite + garnet ± ex-lawsonite) univocally indicates brecciation at eclogite facies conditions. In the breccias the occurrence of a first omphacite-rich matrix (M1) cut by a second matrix rich in garnet + lawsonite pseudomorphs (M2) witnesses multiple brittle rupture events (probably shortly spaced in time) prior to a stage of massive eclogite facies fluid ingression (matrix M3). Trace elements analysis (in-situ and bulk) coupled to rigorous microstructural characterization of samples suggest a progressive change of fluids circulating during the brecciation. First brittle event M1 was triggered by locally-buffered fluids (e.g., from metagabbros) with later ingression of “exotic” fluids (e.g., from serpentinites) triggering the brecciation events M2 and M3. Due to the limited extension of outcrops, the coseismic origin of the eclogitic breccia remains somehow speculative; nevertheless several evidences (e.g., minerals fractured and offset along omphacite-bearing planes) suggest that Monviso eclogite breccias were generated by instantaneous brittle rupture.