Le but de ce travail est de préciser la déformation en mer à l'est de Taïwan et de notamment caractériser les failles actives majeures en particulier au niveau de l'avant-arc des Ryukyus. Le problème majeur associé à l'étude de cette région est que les séismes sont localisés en dehors des réseaux permanents et que cela conduit à des localisations peu précises limitant les analyses statistiques, tectoniques et donc l'estimation correcte de l'aléa sismique. Ce travail est inclus dans le projet ANR ACTS (Active Tectonics and Seismic Hazard in Taiwan).Pour atteindre cet objectif, nous travaillons à trois échelles de temps différentes pour lesquelles une méthode de localisation différente a été proposée pour obtenir une image précise de la déformation sismique et mettre en évidence les failles majeures en mer à l'est de Taïwan.D'abord, à l'échelle du siècle (à partir de l'analyse d'un catalogue de sismicité homogène en magnitude), les séismes historiques instrumentaux (1897-2007) montrent que la marge des Ryukyus a été affectée par 6 séismes de magnitude supérieure à 7 dont 4 pour lesquels la faille responsable n'est pas connue. Nous proposons une méthode de localisation relative qui permet de relocaliser les évènements historiques à partir des différences de temps d'arrivées P et S (T(S)-T(P)) à chaque station. La localisation est obtenue en recherchant les séismes analogues dans le catalogue instrumental récent (1991-2008) pour lesquels T(S)-T(P) à chaque station est proche. Cette méthode a été appliquée au plus gros séisme (en terme de magnitude) jamais enregistré à Taïwan, le séisme du 5 juin 1920 (M7.7 ± 0.2). Ce séisme a certainement rompu l'interplaque sismogène de la subduction des Ryukyus avec une possible nucléation à la base d'une faille hors-séquence.Ensuite, à l'échelle de la dizaine d'années, l'amélioration de la méthode de localisation absolue du MAXimum d'Intersection EDT (MAXI, EDT: Equal Differential Time) permet de mieux extraire les temps d'arrivées erronés et empêche les "trade-off" entre profondeur et temps d'origine et, entre profondeur et position épicentrale lorsque la couverture azimutale est faible (gap azimutal > 180°). Des tests synthétiques montrent l'efficacité de MAXI (en utilisant les ondes P uniquement) à déterminer les paramètres x, y et z même lorsque le gap azimutal est important. Dans ce dernier cas, la qualité des résultats reste dépendant du modèle de vitesse à représenter la structure 3D de la Terre. Nous proposons une démarche associant l'utilisation d'un modèle de vitesse des ondes P 3D a priori avec la méthode MAXI pour localiser les séismes qui sont latéraux et éloignés du réseau. Une application au cas de Taïwan et en Équateur valide cette approche.Enfin, à l'échelle de quelques mois, la campagne de géophysique marine RATS (Ryukyu Arc: Tectonics and Seismology) a été menée en deux temps. Une expérience de sismologie passive de juillet à octobre 2008 (RATS1) a été menée au-dessus de l'avant-arc des Ryukyus puis une expérience de sismique active (réfraction et réflexion) a été menée en mai 2009 sur une ligne NNE-SSW à travers la marge des Ryukyus. Ces deux expériences combinées permettent d'améliorer notre connaissance de la structure crustale de la marge. Au niveau de l'avant-arc, le socle de l'avant-arc est caractérisé par une extrémité formant un butoir vertical et une base très déformée certainement associée à une importante déformation hors-séquence. En profondeur, la plaque plongeante est certainement affectée par une déchirure qui contrôle la sismicité dans cette région de transition entre la subduction et la collision. / The purpose of this work is to specify the deformation offshore East of Taiwan by characterizing major active faults in particular at the level of the Ryukyu forearc. The major problem associated with the study of this region is that earthquakes are located outside the permanent networks. Consequently, this led to some unprecise earthquake locations limiting tectonic and statistical analyses, and therefore the correct estimation of the seismic hazard. This work is included in the project ANR ACTS (Active Tectonics and Seismic Hazard in Taiwan).To achieve this goal, we worked on three different timescales for which a different localization method has been proposed to obtain a clear image of seismic deformation and highlight major faults offhore East of Taiwan.First, at the scale of the century (from the analysis of a seismicity catalogue with homogeneous magnitude), the instrumental historical earthquakes (1897-2007) show that the Ryukyu margin was affected by 6 earthquakes of magnitude greater than 7 with 4 of them for which the responsible fault is unknown. We propose a method of relative location to relocate the historic events from the time difference of P and S arrival times (t(S)-t(P)) at each station. The location is obtained by searching for similar earthquakes in the recent instrumental catalogue (1991-2008) for which t(S)-t(P) at each station is close. This method has been applied to the largest (in terms of magnitude) earthquake ever recorded in Taiwan, the earthquake of June 5, 1920 (M7.7 ± 0.2). Certainly, this earthquake broke the interplate of the Ryukyu subduction with a possible nucleation at the downdip limit of a splay-fault.Then, at the scale of the decade, the improvement of the method of absolute location based on MAXimum of Intersection of EDT (MAXI, EDT: Equal Differential Time) allows to better extract the erroneous arrival times and prevents the "trade-off" between depth and origin time, and between depth and epicentral position when the azimuthal coverage is low (gap Azimuthal > 180 °). Synthetic tests show the effectiveness of MAXI (using P-wave only) to determine the parameters x, y and z even when the azimuthal gap is important. In the latter case, the quality of the results is dependent on the velocity model to represent the 3D structure of the Earth. We propose an approach involving the use of a 3D a priori with the MAXI method P-wave velocity model to locate earthquakes which are lateral and remote to the seismic network. An application to the case of Taiwan and Ecuador validates this approach.Finally, at the level of a few months, the marine geophysical campaign RATS (Ryukyu Arc: Tectonics and Seismology) was conducted in two stages. A passive seismology experiment from July to October, 2008 (RATS1) has been conducted over the forearc of the Ryukyus and then active seismic experiment (refraction and reflection) was conducted in May 2009 in a NNE - SSW line through the Ryukyu margin. These two combined experiments allow improving our knowledge about the crustal structure of the margin. At the level of the forearc, the basement of the forearc is characterized by vertical backstop and a very deformed basis certainly associated with a significant out of sequence deformation. In depth, the downgoing plate is certainly affected by a tear that controls the seismicity in the region of transition between the subduction and collision.

Made available in DSpace on 2015-03-13T17:08:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 IrenaldoPCJ.pdf: 3773351 bytes, checksum: 66d713ebc6c47b7533bafff9f32c98e7 (MD5) Previous issue date: 2009-04-27 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / In this dissertation it was studied the rupture characteristic of earthquakes of the Town of Cascavel CE, Northeastern Brazil. Located on the border of the Potiguar Basin, the Town of Cascavel is one of the most seismically active intraplate areas in the country. In this town, on November 20th, 1980 a 5,2mb earthquake occurred. This was the largest earthquake ever reported in Northeast Brazil. Studies of this region using instruments were possible after 1989, with several campaigns being done using seismographic networks. From the beginning of the monitoring to April 2008 more than 55,000 events were recorded. With the data collected by a network with six 3-components digital seismographic stations during the campaigns done from September 29th, 1997 to March 5th, 1998, estimates of source parameters were found fitting the displacement spectra in the frequency domain for each event. From the fitting of the displacement spectra it was possible to obtain the corner frequency ( ) c f and long period amplitude ( ) W0 . Source parameters were determined following Brune (1970) and Madariaga (1976) models. Twenty-one seismic events were analyzed (0.7 ? ? 2.1) b m in order to estimate the source dimension (r ), seismic moment ( ) M0 , static stress drop (Ds ), apparent stress ( ) a s , seismic energy ( ) S E and moment magnitude ( ) W M for each of the events. It was observed that the ratio between radiated seismic energy and moment seismic (apparent stress) increases with increasing moment and hence magnitude at the observed range. As suggested by Abercrombie (1995), also in this work there is a breakdown in the scaling for earthquakes with magnitudes smaller than three ( < 3.0) W M , so that the rupture physics is different for larger events. If this assumption is valid, the earthquakes analyzed in this work are not selfsimilar. Thus, larger events tend to radiated more energy per unit area than smaller ones. / Nesta disserta??o foi estudada a caracter?stica de ruptura dos sismos da cidade de Cascavel CE, Nordeste Brasileiro. Localizada na borda da Bacia Potiguar, a cidade de Cascavel ? uma das ?reas intraplaca mais sismicamente ativa do Brasil. Neste munic?pio, no dia 20 de novembro de 1980, ocorreu o maior sismo de que se tem not?cia no Nordeste, com magnitude igual 5,2mb . A partir de 1989, essa regi?o tem sido estudada instrumentalmente, sendo realizadas diversas campanhas com redes sismogr?ficas. Desde o in?cio do monitoramento at? abril de 2008, foram registrados mais de 55.000 eventos. Com os dados coletados por uma rede de seis esta??es digitais triaxiais em uma campanha realizada entre 29 de setembro de 1997 e 05 de mar?o de 1998, foi realizado um estudo para determinar os par?metros de fonte, ajustando-se os espectros de deslocamento de cada sismo no dom?nio da frequ?ncia. A partir dos ajustes dos espectros de deslocamento, foi poss?vel obter os valores da frequ?ncia de corte ( ) c f e da amplitude de longo per?odo ( ) W0 . Os par?metros foram determinados a partir dos modelos de fonte propostos por Brune (1970) e Madariaga (1976) para 21 sismos (0,7 ? ? 2,1) b m , obtendo-se as estimativas do raio da fonte (r ), momento s?smico ( ) M0 , stress drop est?tico (Ds ), stress aparente ( ) a s , energia s?smica irradiada ( ) S E e magnitude momento ( ) W M de cada evento. Foi observado que o stress drop e a raz?o entre a energia irradiada e o momento s?smico (stress aparente) aumentam com o incremento do momento e, consequentemente, com o valor da magnitude para a escala investigada. Assim como sugerido por Abercrombie (1995), neste trabalho tamb?m parece haver um quebra na rela??o de escala para sismos com magnitudes menores que tr?s ( < 3,0) W M , o que implica em um processo de ruptura diferente para terremotos grandes e pequenos. Caso esta hip?tese seja v?lida, os sismos analisados neste trabalho n?o s?o autosimilares. Assim, os eventos maiores tendem a irradiar mais energia por unidade de ?rea que os menores.

Cette thèse a pour objectif de modéliser les déformations saisonnières de la Terre associées aux redistributions de masses d’eau de l’hydrosphère. Pour cela, nous tirons profit de la mesure des déplacements saisonniers du sol par Global positioning system (GPS) et de l’estimation des variations spatio-temporelles de l’hydrosphère déduite du champs de gravité terrestre mesuré par la mission Gravity and recovery climate experiment (GRACE). Ces données ouvrent la voie à des modèles précis de la déformation saisonnière, discutés dans le chapitre 1, qui auront des implications importantes pour la définition des référentiels terrestres, l’identification d’évènements tectoniques de glissement de période comparable ou encore pour la compréhension du lien entre déformation et sismicité saisonnière. Dans le chapitre 2, nous montrons que les déformations saisonnières mesurées en Himalaya sont expliquées par la réponse de la Terre à la charge saisonnière de GRACE qui produit des déplacements de surface cohérents au premier ordre avec les observations horizontales et verticales simultanément à condition d’utiliser un modèle de Terre réaliste, sphérique et stratifié. Nous étendons ensuite le modèle à l’échelle globale dans le chapitre 3, et comparons les déplacements induits par la charge saisonnière à 195 stations GPS, en tenant compte des contributions de degré-1 dans le signal GRACE (Swenson et al., 2008). Alors que la composante verticale est raisonnablement prédite, les composantes horizontales sont systématiquement sous-estimées et leur phase est mal reproduite. Nous montrons que ce désaccord entre modèle et observations horizontales à l’échelle mondiale peut être associé au premier ordre à une contribution de degré-1 sous-estimée, et non à la grande résolution spatiale de GRACE. Nous proposons de l’estimer à posteriori grâce à une transformation d’Helmert, représentant le mouvement du géocentre ainsi qu’une partie de la déformation de degré-1. La corrélation entre modèle et données horizontales est nettement améliorée, sans que les prédictions verticales soient affectées. Au second ordre, nous montrons que les variations de volume dans le manteau terrestre liées aux changements de phase des minéraux qui le composent peuvent jouer un rôle dans la déformation saisonnière. Enfin, nous montrons qu’il est possible d’utiliser la déformation saisonnière pour déterminer une borne inférieure de la viscosité transitoire de l’asthénosphère, paramètre clé des modèles de déformation postsimique. Afin de tester l’hypothèse d’un impact des charges saisonnières sur la sismicité, nous examinons les variations de contrainte liées aux chargements saisonniers de surface. Nous menons également des expériences de déformation triaxiale sur des grès de Fontainebleau, saturés en eau soumis à des paliers de contrainte simulant un chargement tectonique, ainsi qu’à des oscillations sinusoïdales de la pression de pore simulant les marées ou l’hydrologie continentale. Nos observations expérimentales, détaillées dans le chapitre 4 suggèrent que les chargements périodiques de faible amplitude peuvent jouer un rôle important dans la longue phase de nucléation des séismes. / In this thesis, we aim at modeling accurately seasonal deformation of the Earth induced by redistribution of hydrosphere masses. We take advantage of seasonal ground displacements measured by continuous stations of the Global Positioning System (cGPS) and the estimate of the spatio-temporal evolution of surface hydrology derived from the Gravity and Recovery Climate Experiment (GRACE) measurements. Precise geophysical models of the seasonal deformation, discussed in Chapter 1, of the Earth have far-reaching implications in defining international terrestrial reference frame, detecting potential transient deformation with comparable period or even understanding the link between induced stress perturbations and seasonal seismicity. In Chapter 2, we show that seasonal ground displacements recorded by cGPS stations in the Himalaya are fairly well explained by the Earth’s response to seasonal hydrology derived from GRACE, which induces coherent surface displacements, in first orderapproximation, with horizontal and vertical observations simultaneously, provided that a realistic elastic, spherical and layered model for Earth is used. We extend the model to a global scale in Chapter 3, and compare displacements induced by the seasonal load at 195 cGPS stations globally distributed. We account for the degree-1 contribution in GRACE using results from Swenson et al. (2008). We find that, while the vertical displacements are well predicted by the model, the horizontal components are systematically underpredicted and out-of-phase with the observations. We show a significant improvement when we do not apply a priori degree-1 coefficients but estimate and apply a posteriori a Helmert transformto the horizontal components. The fit in phase and amplitude of the seasonal deformation model to the horizontal components is improved and does not affect the fit to the vertical measurements. We conclude that horizontal misfits result mostly from degree-one deformation plus reference frame differences between model and observations, and not from the limited spatial resolution of GRACE. However, the amplitude of global seasonal horizontal displacement remains slightlyunderpredicted. We show that mantle volume variations due to mineral phase transitions may play a role in the seasonal deformation and, as a by-product, use this seasonal deformation to provide a lower bound of the transient astenospheric viscosity. Finally, in order to test the impact of seasonal forcing on seismicity, we estimate the amplitude of periodic stress perturbations induced by seasonal loading. To further investigate the question, we performa set of triaxial deformation experiments on water-saturated Fontainebleau sandstones. Rock samples are loaded by the combined action of steps of constant stress, intended to simulate tectonic loading and small sinusoidal pore pressure variations, analogous to tides or seasonal loading. Our experimental results suggest that the correlation of small stress perturbations and acoustic emissions depends primarily on the state stress of the rock and that emissions occur more likely when cracks are unclamped. In other words, our observations suggest that tidal triggering might occur favorably during the long nucleation phase of earthquake.

Le cadre général de la thèse concerne la valorisation sous forme de production d'énergie électrique de la chaleur présente à quelques kilomètres de profondeur (3 à 5 km), en général dans des milieux peu perméables et fracturés. Notre objectif principal est d'étudier le phénomène des microséismes induits relativement au refroidissement, en nous basant sur une expérience de terrain de longue durée, menée sur le site de Rosemanowes (Cornwall, UK). Pour cela nous avons procédé à la mise en place d'un outil de calcul, FRACAS, capable de simuler ce phénomène en introduisant une approche à double milieu thermique pour mieux simuler le refroidissement du réservoir dû à l'injection de fluide à long terme, responsable des nouveaux mécanismes de ruptures dus à la traction de la roche. Dans ce contexte nous avons introduit un nouvel algorithme pour prendre en compte les manifestations d'instabilités, un mécanisme de « stick-slip » avec prise en compte d'une friction statique et d'une friction dynamique. La possibilité d'induire des microséismes est ensuite étudiée à partir des données issues d'un site particulier, avec deux modèles 3D proposant des approches géométriques différentes, un modèle déterministe et un modèle stochastique, dont les propriétés géométriques et physiques ont été tirées des observations et travaux antérieurs effectués sur ce site de Rosemanowes. La simulation thermo-hydro-mécanique (THM) du modèle déterministe nous a permis de modéliser les échanges thermiques en régime transitoire dans le réservoir formé par le système de forages RH12/RH15 et d'estimer un ordre de grandeur des tractions d'origine thermique. Pour mieux étudier l'effet induit par la contraction des blocs de roche dans le temps nous utilisons le modèle 3D stochastique dont l'objectif principal est de simuler de façon plus réaliste la progression dans l'espace les ruptures en cisaillement. Avec ce modèle nous avons constaté l'apparition différée d'une activité et l'effet d'un cycle de pulses de pression, ce qui suggère un moyen d'atténuer les fortes magnitudes potentielles des ruptures en cisaillement dues au refroidissement. / The general framework of our research deals with the development of geothermal energy for electricity production using the heat stored in geological formations at depths ranging in 3 to 5 km, Generally the environment is poorly permeable and fractured. Our main objective is to study the phenomenon of induced micro-earthquakes in relation to the cooling of the rock. The work is based on field experiences including long duration tests, conducted on the Rosemanowes site (Cornwall, UK). For this, we proceeded to the development of a calculation tool, FRACAS, able to simulate this phenomenon by introducing a dual thermal approach to better simulate the cooling of the reservoir due to long term fluid injections, which might be responsible for new failure mechanisms due to the induced tractions. In this context, we introduced a new algorithm to describe shear in stabilities, a mechanism of "stick-slip" type with the consideration of static/dynamic friction coefficients. The possibility of inducing micro-seismicity is then studied using the in situ data base, with two 3D models offering different geometric approaches, a deterministic model and a stochastic model whose geometrical and physical properties were obtained from observations and previous work on this Rosemanowes site. The Thermo-Hydro-Mechanical (THM) simulation using the deterministic model has allowed us to calibrate the transient heat transfer in the reservoir formed by the drilling system RH12/RH15 and to give an estimate of tensile stress of thermal origin. To better study the effect induced by the contraction of the rock during time, we use the stochastic 3D model whose main objective is to simulate a more realistic spatial migration of shear ruptures. With this model we found a delayed onset of shear activity and discuss the effect of pressure step tests. The results suggest a way to mitigate the potential impact of shear ruptures due to cooling.