Subduction zone fault processes range from tsunami-generating megathrust events to aseismic creep along the deeper portions of the fault. Episodic tremor and slow slip (ETS) represents the transition between these two regimes, where slip occurs at semi-regular recurrence intervals of months-to-years. These events are also accompanied by low frequency earthquakes, referred to as tremor. The study of ETS in Cascadia has been made possible by the enhancement of large-scale seismic and geodetic networks. In this dissertation, I use a range of geodetic and seismic observations at sub-daily to decadal time scales to investigate the kinematic behavior of individual ETS events, as well as the long-term behavior of the ETS zone and its relationship with the updip seismogenic zone. In Cascadia, current seismic hazard maps use the ETS zone as the downdip limit of rupture during future megathrust events. In Chapter II, I utilize uplift rates derived from 80 years of leveling measurements to explore the possibility that long-term strain accumulation exists near the ETS zone. The uplift rates are consistent with a region of 10-20% locking on the updip side of the ETS zone. The lack of associated topography indicates that the accumulated strain must be released during the megathrust cycle. The correlation of tremor and slip in Cascadia suggests there is an inherent relationship between the two. In Chapter III, I develop a method for using tremor as a proxy for slip to assess the spatial relationship of tremor and slip. I compare predictions of tremor-derived slip models to results from static inversions of GPS offsets by modeling slip based on the density of tremor. These comparisons suggest that the correlation of tremor and slip is variable along strike and along dip. In Chapter IV, I explore how borehole strainmeters can improve our resolution of slip on the plate interface. I incorporate strainmeters into joint, time-dependent kinematic inversions with GPS data. The temporal resolution of strainmeters provides improved constraints when deriving time-dependent slip estimates during slow slip events, allowing us to better image the kinematics of slow slip. This dissertation includes previously published and unpublished material.

L'avènement de la géodésie spatiale ces dernières décennies a permis la découverte de la diversité des modes de glissement sur les failles. Dans cette thèse, nous nous intéressons au glissement asismique à la fois en contexte de subduction et en contexte décrochant. Nous étudions l'ensemble de la subduction mexicaine au niveau des régions de Guerrero et Oaxaca, où plusieurs séismes lents ont été répertoriés, ainsi que le segment en glissement asismique d'Ismetpasa le long de la faille décrochante Nord-Anatolienne en Turquie. La carte de couplage (estimé entre les grands séismes lents) entre les plaques Cocos et Nord Américaine indique un couplage élevé et relativement homogène en base de zone sismogénique. Cependant, des variations latérales de couplage importantes sont remarquables dans la zone sismogénique. En particulier, une zone de fort couplage à Oaxaca est localisée à l'emplacement de la rupture sismique de 1978 et a accumulé un déficit de glissement de 5 cm en 9 ans. Ces variations latérales de couplage sont corrélées avec les distances fosse-côte et des zones à l'état critiques sont localisées aux transitions entre faible et fort couplage. Ces observations suggèrent une pérennité au long-terme des motifs spatiaux de couplage. Nous proposons un mécanisme de déformation durant la phase co-sismique, basé sur l'existence de transitions frictionnelles sur le plan de subduction, qui permet de réconcilier les vitesses intersismiques mesurées sur quelques décennies et la morphologie long-terme. Ces vitesses intersismiques sont généralement considérées comme constantes sur plusieurs années. Cependant, une analyse plus fine montre une riche dynamique temporelle, avec en particulier la présence d'évènements transitoires finis de magnitudes et durées variables. Nous avons suivi deux approches afin de détecter et caractériser des glissements transitoires dans nos deux zones d'étude. (i) L'analyse d'un réseau dense d'interférogrammes, obtenus à partir de données InSAR des satellites CosmoSky-Med sur le segment de faille d'Ismetpasa, a permis de détecter un évènement de glissement transitoire d'un mois. Enregistré en Novembre 2013, aucun autre glissement n'a été détecté durant les 9 autres mois de l'analyse. Cet évènement d'une magnitude de 5.2 à 5.5 a relâché une énergie équivalant à 1,5 à 2 ans de glissement asismique continu à la vitesse moyenne précédemment estimée. Cette découverte remet en question le modèle mécanique de glissement de ce segment. (ii) Le développement d'une méthode de corrélation entre des évènements de glissements synthétiques et des séries temporelles GPS préalablement traitées permet la détection de glissements transitoires d'amplitude équivalente à celle du bruit. Appliquée à un jeu de données synthétiques sur la subduction mexicaine, cette méthode montre que l'on peut caractériser avec précision des évènements de Mw > 6. Appliquée à des données réelles au niveau de la lacune sismique de Guerrero entre Février 2005 et Mai 2007, cette méthode a permis de détecter 15 nouveaux événements transitoires. Ces évènements coïncident temporellement avec de fortes activités de trémors et LFEs et sont localisés aux pourtours du séisme lent de Mw 7.5 de 2006. Ces détections permettent de mieux contraindre la loi d'échelle des glissements lents et d'éclairer la dynamique spatiale et temporelles des évènements transitoires en base de zone sismogénique. / The development of space geodesy during the last decades has led to the discovery of the slip modes diversity on faults. In this thesis, we focus on aseismic slip on both subduction zones and continental strike slip faults. We study the subduction zone of Mexico, from Guerrero to Oaxaca regions, where large Slow Slip Events have been recorded, as well as the Ismetpasa creeping fault segment of the North Anatolian Fault in Turkey. The map of interplate coupling (in between large slow slip events) estimated between the Cocos and North America plates in Mexico shows a relatively high coupling coefficient, laterally homogeneous at the base of the seismogenic zone. Strong lateral coupling variations are notable within the seismogenic zone. A high coupling pattern in Oaxaca is located in the same area as the 1978 seismic rupture and has accumulated 5 cm of slip deficit in 9 years. Those lateral coupling variations are correlated with trench-coast distances. We show that critical state areas are located at the transitions between low and high coupling zones. These observations suggest a persistency of the coupling patterns over geological time scales. We propose a mechanism of deformation during the coseismic phase, related to the existence of frictional transitions on the subduction plane, that allows to reconcile decadal observations of interseismic velocities with the long term building of the coastal morphology. The interseismic velocities are generally considered to be constant over a few years. However, refined temporal analysis show the richness of their temporal dynamics, with evidences of slow slip events of various magnitudes and durations. We follow two different approaches to detect and characterize small amplitude slow slip events in our two study areas. (i) The dense network of interferograms with short repeat times acquired by the CosmoSky-Med constellation along the Ismetpasa fault segment allows to detect a month-long transient slip event. During the 9 other months of the analysis, no clear aseismic slip signal has been observed. With a Mw 5.2 - 5.5, this transient event has released an energy equivalent to the one that would be released during 1.5 - 2 years at the average creep rate estimated by previous studies. This discovery forces us to reconsider the mechanical model in place for this segment. (ii) The development of a correlation methodology between synthetic transient slip events and post-processed GPS time series allows to detect transient events with amplitude close to the GPS background noise. Applied to a synthetic dataset over the Mexican subduction zone, we show that this method is able to precisely detect and characterize Mw>6 events. Applied to real data between February 2005 and May 2007 in the Guerrero gap area, our new GPS-matched filter allows to detect 15 new events. Those events are temporally correlated with bursts of tremors and LFEs activity and are surrounding the Mw 7.5 2006 SSE. These detections enable to better characterise the slow slip events scaling law and shed a new light on the spatial interaction of slow slip events at the base of the seismogenic zone.

My work focused on the development of improved methodologies for the evaluation of seismic hazard and its related uncertainties, based on the study of active faults systems and dynamic modelling of the seismic cycle. I worked in particular on the probabilistic estimate of a fault's maximum magnitude earthquake and of its return period. Those parameters are indeed crucial to estimate seismic hazard. Seismicity can be viewed as a stochastic process which is constrained by the principle of moment conservation: seismic ruptures must in principle rupture fault portions which had accumulated a deficit of slip, in view of their long term slip rate, during the interseismic period. In Chapter 1, I explain how we implemented those constraints in the evaluation of the probability distribution describing the magnitude and return period of the largest earthquake, propagating the geodetic uncertainties up to the hazard calculation. We applied this methodology to the Parkfield Segment of the San Andreas Fault, where the seismic cycle is particularly well documented. Our study implies potential maximum magnitude between 6.5 and 7.5, with a return period of 140 to 300 years. In Chapter 2, we applied the same methodology to the Cascadia subduction zone, known to have produced a M~9 earthquake in 1700 but where the seismic hazard remains poorly constrained. As part of this study we determined a model of interseismic coupling and of fault slip due to Slow Slip Events using an Independent Component Analysis-based inversion method. Finally, in Chapter 3, I use dynamic modelling to tackle the problem of partial ruptures. Large earthquakes tend to be confined to fault areas locked in the interseismic period but they often rupture them only partially. For example, during the 2015 M7.8 Gorkha earthquake, Nepal, a slip pulse propagating along-strike unzipped the bottom edge of the locked portion of the Main Himalayan Thrust. The lower edge of the rupture produced dominant high-frequency (>1 Hz) radiation of seismic waves. We showed that similar partial ruptures occur spontaneously in a simple dynamic model of earthquake sequences on a planar fault without mechanical, frictional and geometrical heterogeneities.

The close proximity of the Nicoya Peninsula to the Cocos-Caribbean Subduction zone plate boundary makes it a prime location to use GPS to study episodic tremor and slip. Nicoya Peninsula currently has operating networks of both continuous GPS (CGPS) and seismic stations designed to identify and characterize the pattern of episodic tremor and slip (ETS) events along the seismogenic zone under Costa Rica's Pacific Margin. The occurrence of slow slip events has been previously postulated in this region based on correlated fluid flow and seismic tremor events recorded near the margin wedge in 2000 and from sparse GPS observations in 2003. Paucity of data prevented details of these events from being resolved. In May 2007 a slow slip event was recorded on our densified GPS network. This slow slip event was also accompanied by seismic tremor, worked up by colleagues at the University of California - San Diego. I will present the GPS time series, correlated with the seismic tremor for the event in May 2007. I will also present the inferred pattern of slip on the plate interface from elastic half space inversion modeling compared with the tremor and Low Frequency Earthquake (LFE) locations. The geodetic slip and seismic tremor co-locate temporally very well. Spatially the seismic tremor and LFE locations are offset but not independent of both the up dip and down dip patches of geodetic slip. The identification of these slow slip events enhances our understanding of the nuances of the interseismic period. Previous studies of the interseismic strain accumulation patterns in the region of the Nicoya Peninsula have not accounted for the occurrence of slow slip, thus underestimating the magnitude of locking on the fault plane. My study resolves this bias by using our CGPS network to estimate the interseismic surface velocity field, accounting for the May 2007 slow slip event. I will present the results of this velocity field estimation and the results of inversions for locking patterns on the fault plane. My study has also elucidated a potential temporal variability in the locking pattern on the fault plane beneath Nicoya.

Dans cette thèse, nous présentons trois études concernant les interactions entre séismes et la phase de nucléation des forts tremblements de terre. La première partie de ce travail concerne le NO de la Turquie, où deux systèmes tectoniques sont présents : décrochement sur la Faille Nord Anatolienne et extension dans des essaims situés autour de la faille. Nous montrons que ces deux systèmes interagissent, mais répondent différemment à l'excitation du séisme d'Izmit (1999). Les calculs des changements de contraintes de Coulomb induits par le séisme d'Izmit indiquent que les évènements en décrochement répondent aux contraintes dynamiques, alors que les séismes en extension semblent contrôlés par la déformation statique de la croûte. Dans la seconde partie de cette thèse, nous analysons une importante séquence sismique qui s'est produite en 2008 en Grèce. Cette analyse a montré que les séismes en subduction ou en décrochement composant la séquence reflètent le mouvement du SO rigide de la Grèce vers le SSO accompagné du plongement de la plaque Africaine et du retrait vers le sud de la subduction. Cette première étape de déformation est suivie, quelques mois plus tard, de la déformation interne de la plaque Egée qui se manifeste par de l'extension N-S. Cette séquence sismique est le témoin de l'existence d'un couplage dynamique entre la subduction et le prolongement de la Faille Nord Anatolienne dans la région égéenne. Enfin, le but de la dernière partie de cette thèse a été d'apporter des éléments de réponse à la question : existe-t-il un phénomène observable par le biais de la sismicité qui précède de manière systématique les grands tremblements de terre? Pour cela nous avons étudié l'activité sismique précédant des séismes de M$geq 6.5$ dans des régions bien instrumentées (Japon, Cascades et NO des Etats-Unis). Nous montrons que la grande majorité des séismes interplaques est précédée d'une accélération de la sismicité, au contraire des séismes intraplaques. Nous mettons également en évidence une différence entre les séismes en décrochement et les séismes en subduction : les pré-chocs des séismes en subduction sont localisés dans une grande région, rendant un déclenchement en cascade des évènements et du choc principal impossible. / We present three studies about earthquake interactions and the nucleation phase of big earthquakes. The first part of this work deals with the northwestern Turkey, where two tectonic regimes exist, with the transform North Anatolian Fault and extension clusters around it. We show that these two systems interact, but respond differently to Izmit earthquake (1999) stimulation. Computations of the Coulomb stress changes induced by the Izmit earthquake indicate that strike-slip events respond to dynamic stresses, whereas the extension ones seem to be controlled by the static deformation of the crust. In the second part, we analyze a seismic sequence that occurred in 2008 in Greece. This analysis shows that subduction or strike-slip earthquakes of the sequence depict the overall motion of the southwestern Greece to the SSW, accompanied by the plunge and the southward retreat of the slab. This first deformation stage is followed, few months later, by the internal deformation of the Aegean plate, which occurs as N-S extension. This seismic sequence depicts the existence of dynamic coupling between the Hellenic subduction and the prolongation of the North Anatolian Fault. The aim of the last part was to shed some lights on the question: is there a systematic seismic phenomena preceding the occurrence of big earthquakes? To do that, we studied seismic activity preceding M$geq$6.5 earthquakes in some well-instrumented areas of the North Pacific. We show that most of the interplate earthquakes are preceded by an increase of the activity, unlike the intraplate ones. We also highlight a different behavior between strike-slip and subduction events: foreshocks of subduction earthquakes are located in a large area, preventing a cascade triggering.

La caractérisation des distributions spatio-temporelles des déformations transitoires le long de failles actives constitue actuellement l’un des axes privilégiés de recherches visant la compréhension des processus contrôlant le cycle sismique. Dans ce contexte, nous nous intéressons à deux sites d’études aux caractéristiques comportementales distinctes: la lacune sismique de Guerrero, siège de 4 séismes lents depuis 1997 (zone de subduction, d’une longueur de 100 km à l’ouest d’Acapulco au Mexique, dernière rupture en 1911, temps de récurrence ~4 ans) et le segment de Parkfield (segment de 20-30 km le long de la faille de San Andreas, Californie, 7 ruptures successives -Mw6- depuis 1857, temps de récurrence de ~22 ans). Dans le cas du Mexique, nous portons notre attention sur le séisme lent de 2009-2010 survenu au niveau de la lacune sismique et, dans le cas du segment de Parkfield, nous décrivons la déformation post-sismique suite au séisme du 28 septembre 2004, dernière rupture en date de ce segment, sur la période 2005-2010. Nous utilisons l’interférométrie radar différentiel satellitaire (DINSAR), complété de données GPS, pour estimer les faibles déformations (centimétriques) générées en surface par ces types de déformations. À l’issue de ce travail, dans le cas de la lacune sismique de Guerrero, nos mesures semblent montrer que le séisme lent de 2009-2010 affecte la partie sismogène de la lacune tout en affectant une portion de la subduction qui dépasse les limites géographiques de celle-ci. Dans le cas de Parkfield, nous parvenons à mettre en avant une prolongation temporelle jusqu’en 2010 du glissement post-sismique en plus d’une extension spatiale de ce glissement qui dépasse les limites de la rupture de 2004. Ces nouveaux éléments permettent de discuter plus en avant l’impact de ces déformations transitoires sur le comportement de ces systèmes de failles situés tout deux, sur des sites d’intérêts scientifiques majeurs. / Characterizing the spacio-temporal evolution of transient deformations along active faults is, by now, one of the most promising ways to better understand the mechanisms that drive the seismic cycle. In this context, we focused our attention on two areas that exhibit different characteristic behaviour types: the Guerrero seismic gap, a location of 4 consecutive slow slip events since 1997 (subduction zone, 100 km long westward from Acapulco, Mexico, last ruptured in 1911, repeating time ~4 years) and the Parkfield segment (20-30 km long segment, San Andreas fault, California, 7 successive breaks -Mw6- since 1857, repeating time ~22 years). In the case of Mexico, we particularly focused our attention on the 2009-2010 slow slip event that occurred at the gap location. In the case of Parkfield, we described the post-seismic deformation related to the 28th September 2004 Mw6 event (last recorded break) from 2005 to 2010. We used space-based differential radar interferometry (DINSAR) in addition to GPS data, to assess surface displacements at centimeter scale that are in relation with those two phenomena. As an outcome of the work, in the Guerrero seismic gap case, our measurements indicate that the 2009-2010 slow slip event has affected the seismogenic part of the gap and extents outside the spatial limits of it. In the case of Parkfield, our measurements indicate that the Parkfield segment has a post-seismic behaviour that lasts until 2010 at least and spatially extends outside the edge the 2004 coseismic trace along the fault line. These elements allow us to discuss the implication of such transient deformations in the two particular cases of the Guerrero seismic gap and the Parkfield segment, both of first scientific interest.

La zone de subduction centrale en Equateur est caractérisée par un patch fortement couplé, pas de grands séismes connus et de fréquents essaims sismiques, dont certains associés à des épisodes de glissements lents (SSE). Les hypocentres déterminés sur un réseau temporaire dense onshore-offshore image la sismicité de fond et plusieurs essaims (01/2013), synchrones d’un SSE (Mw´ 6.3). Une sismicité permanente se produit à 20-30 km de profondeur, proche et sous la zone de contact interplaque (ZCI), bordant la partie profonde de la zone couplée. Les essaims superficiels (10 km) ont lieu sur des zones de failles crustales de la plaque plongeante (ZFC-Nazca), inverses, sub-verticales et qui bordent un massif océanique en subduction. Le SSE 2012-2013 est un événement composite se développant sur 2 patchs distincts. Le premier patch (P1), plus petit, se localise sur une partie peu couplée de la ZCI et le second (P2), plus superficiel, sur une zone fortement bloquée (>70%). Depuis le 25/11 et durant ~1,5 mois, sans sismicité, P1 se déverrouille progressivement, indiqué par un glissement discontinu, lent et faible. Le 13/01, l'accélération soudaine du glissement sur P1 réactive une ZFC-Nazca (1er essaim), située immédiatement updip P1 et downdip P2, ce qui favorise le début d´un glissement rapide, fort et continu sur P2 (et sur P1). Nous proposons que les fluides, expulsés par l'activité sur la ZFC-Nazca et injectés au niveau de la ZCI, contribuent à modifier le comportement de stabilité des matériaux, favorisant ce SSE inattendu sur une zone fortement bloquée. Environ 80% du moment asismique total sont libérés sur P2 en une semaine, concomitant d´essaims sur différentes ZFC-Nazca / The central subduction zone of Ecuador is characterized by a highly coupled patch, no known large earthquakes and frequent seismic swarms, some of them associated to slow slip events (SSE). The earthquakes recorded on a temporal onshore-offshore network show an unprecedented image of the background seismicity and of several intense swarms in early 2013, concomitant of a SSE (6.3 Mw). The 20-30 km deep permanent seismic clusters develop near and below the interface contact zone (ICZ), contouring the downdip limit of the locked area. The shallower swarms (10 km depth) occur on sub-vertical inverse crustal fault zones of the Nazca plate that seem to bound a known oceanic massive in subduction. The 2012-2013 SSE is a composite event developing on 2 distinct patches. The first and smaller patch (P1) is sited on an intermediate coupled portion of the ICZ than the shallower second patch (P2) that lies on a highly locked area (> 70%). Since 2012 Nov. 25 and during ~1.5 month, without seismicity, P1 progressively unlocks as revealed by the slow, low and intermittent slip. On 2013 Jan. 16, the sudden slip acceleration on P1 activates a Nazca crustal fault zone (first swarm) located immediately updip P1 and downdip P2, which in turn favors the onset of the faster, higher and continuous slip on P2 (and on P1). We propose that the fluids expelled by the fault activity and injected above, within the ICZ, contribute to modify the material stability behavior and favor the unexpected SSE on a highly locked area. About 80% of the total aseismic moment is released during one week on P2, at the same time than intense seismic swarms on distinct Nazca crustal fault zones

No description available.

No description available.

No description available.