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.

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.

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Les observations récentes ont mis en évidence la diversité des régimes de glissement des failles, et particulièrement l'existence de glissements asismiques transitoires, les séismes lents. Ce travail a pour objectif la compréhension de l'impact de ces séismes lents sur le cycle sismique. La zone étudiée correspond à la zone de subduction du sud du Mexique, au niveau de la lacune sismique de Guerrero. A partir de mesures de déplacement de surface, principalement par GPS, le glissement sur l'interface de subduction est modélisé par des dislocations dans un milieu élastique. Cette analyse nous permet de contraindre l'évolution spatio-temporelle de deux épisodes de glissements lent (2006 et 2009-2010), ainsi que le couplage de l'interface de subduction. Nos résultats montrent une certaine variabilité dans l'évolution spatio-tempororelle des deux glissements étudiés : le séisme lent de 2006 présente clairement une propagation du glissement, à une vitesse d'environ 1 km/jour ; le séisme lent de 2009-2010 présente deux sous-évènements, l'occurrence du deuxième sous-évènement étant liée au déclenchement par le séisme de Maule au Chili. Nos résultats mettent également en évidence les variations latérales dans le couplage intersismique de l'interface de subduction : le couplage dans la lacune sismique de Guerrero étant 4 fois plus faible que le couplage de part et d'autre de la lacune. Ainsi la majeure partie du glissement est accommodée par les séismes lents dans la lacune sismique de Guerrero. / Recent observations reveal the existence of different slip behaviors on fault, and among them the occurrence of transient aseismic slip events, the so-called slow slip events (SSEs). The general goal of this work is to understand the impact of slow slip events on the seismic cycle. The area of study is located in the southern Mexican subduction zone, around the Guerrero seismic gap. We use continuous GPS measurements of the ground displacements to model the slip on the subduction interface, using a dislocation model in an elastic half space. We can thus constrain the spatial and temporal evolution of two slow slip events (in 2006 and in 2009-2010), as well as the coupling ratio of the subduction interface. Our results highlight the differences in the spatio-temporal evolution of the two slow slip events : during the 2006 SSE, the slip propagated at a velocity of 1 km/day. The 2009-2010 SSE occurred in two sub-events and the second sub-event was triggered by the surface waves of the Maule earthquake (in Chili). Our results also show the lateral variations in the interseismic coupling of the subduction interface : the coupling ratio in the Guerrero gap being only 1/4 of the couling ratio on both sides of the gap. Most of the slip is thus accommodated by slow slip events in the Guerrero seismic gap.

Depuis maintenant une dizaine d'années, la vision du cycle sismique en zone de subduction a beaucoup évolué. Des découvertes récentes ont mis en évidence une grande diversité des régimes de glissement dans ces zones, avec notamment des glissements asismiques transitoires appelés « séismes lents » (SSE) et des vibrations de faibles amplitudes, persistantes dans le temps, appelées « trémors non volcaniques » (NVT). Ce travail a pour objectif l'étude des trémors non volcaniques afin de caractériser ces nouvelles manifestations des zones de faille. Nous avons abordé ce problème avec deux approches distinctes :1. Observer les trémors dans le milieu naturel afin de déterminer leurs caractéristiques. La zone étudiée correspond à la lacune sismique de Guerrero le long de la subduction mexicaine. Nous avons développé une méthode de détection et de localisation des NVT au Mexique grâce à des analyses d'antennes par formation de voie sur les corrélations. Cette méthode permet de mettre en évidence cer taines caractéristiques des NVT : une complexité des sources pour un épisode de trémors, une corrélation entre les activités de NVT et les pics de vitesse des glissements lents à plus long terme. Par ailleurs, l'étude de l'impact du séisme de Maule (2010, Chili, Mw 8.8) au Mexique montre qu'il a déclenché le second sous évènement du séisme lent de 2009-2010. Ce déclenchement d'un SSE s'ac- compagne de fortes activités de trémors, modulées par les ondes du séisme de Maule dans un premier temps, puis simplement associées au SSE.2. Modéliser les trémors expérimentalement et numériquement pour mieux com- prendre leur origine physique et leurs évolutions sur le long terme. Nous avons en particulier utilisé une expérience de frottement à faible vitesse qui indique une corrélation systématique entre les accélérations d'un glissement et l'émission de signaux qui ressemblent à des NVT. Une modélisation numérique de la zone de subduction mexicaine est également présentée et montre la possibilité de reproduire des trémors en considérant une transition d'affaiblissement critique associée à un processus de décrochage. / The vision of the seismic cycle in subduction zones has considerably evolved over the last 10 years. New discoveries has pointed the diversity of slip behaviors in these zones with aseismic slow slip called « slow slip events » (SSE) and persistent low amplitudes vibrations called « non-volcanic tremors » (NVT). The goal of this thesis is to study the non-volcanic tremors in order to characterize these new manifestations of fault zones. We used two different approaches: 1. We first observed the non-volcanic tremors in the nature in order to characterize this phenomenon. The area of interest is the Guerrero seismic gap along the Mexican subduction zone. We develop a new detection and location method based on beamforming of correlations of seismic signals. This new method exhibits some characteristics of NVT: a complex source for a single tremor episode and a correlation between the NVT episodes and the long-term peak of movement velocity in southwards direction. Moreover, the study of the consequences of the Maule earthquake on the Mexican subduction zone showed that this earthquake triggered the 2009-2010 SSE in Guerrero. This triggering of slow slip is accompanied by strong seismic tremor actvity that are first modulated by the passing waves and then associated to the SSE. 2. We model numerically and experimentally the tremors in order to better understand their physical origin and their long-term evolution. We used a very slow friction experiment that indicates a systematic correlation between slip acceleration of a slider and emission of acoustic signals that are similar to NVT. A numerical modeling of the Mexican subduction zone is also presented and shows the possibility to reproduce NVT with a critical depinning transition.

abstract: The movement between tectonic plates is accommodated through brittle (elastic) displacement on the plate boundary faults and ductile permanent deformation on the fault borderland. The elastic displacement along the fault can occur in the form of either large seismic events or aseismic slip, known as fault creep. Fault creep mainly occurs at the deep ductile portion of the crust, where the temperature is high. Nonetheless, aseismic creep can also occur on the shallow brittle portion of the fault segments that are characterized by frictionally weak material, elevated pore fluid pressure, or geometrical complexity. Creeping segments are assumed to safely release the accumulated strain(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992) on the fault and also impede propagation of the seismic rupture. The rate of aseismic slip on creeping faults, however, might not be steady in time and instead consist of successive periods of acceleration and deceleration, known as slow slip events (SSEs). SSEs, which aseismically release the strain energy over a period of days to months, rather than the seconds to minutes characteristic of a typical earthquake, have been interpreted as earthquake precursors and as possible triggering factor for major earthquakes. Therefore, understanding the partitioning of seismic and aseismic fault slip and evolution of creep is fundamental to constraining the fault earthquake potential and improving operational seismic hazard models. Thanks to advances in tectonic geodesy, it is now possible to detect the fault movement in high spatiotemporal resolution and develop kinematic models of the creep evolution on the fault to determine the budget of seismic and aseismic slip. In this dissertation, I measure the decades-long time evolution of fault-related crustal deformation along the San Andrea Fault in California and the northeast Japan subduction zone using space-borne geodetic techniques, such as Global Positioning System (GPS) and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). The surface observation of deformation combined with seismic data set allow constraining the time series of creep distribution on the fault surface at seismogenic depth. The obtained time-dependent kinematic models reveal that creep in both study areas evolves through a series of SSEs, each lasting for several months. Using physics-based models informed by laboratory experiments, I show that the transient elevation of pore fluid pressure is the driving mechanism of SSEs. I further investigate the link between SSEs and evolution of seismicity on neighboring locked segments, which has implications for seismic hazard models and also provides insights into the pattern of microstructure on the fault surface. I conclude that while creeping segments act as seismic rupture barriers, SSEs on these zones might promote seismicity on adjacent seismogenic segments, thus change the short-term earthquake forecast. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2018

Ces dernières années ont vu le développement d'une nouvelle méthode d'imagerie des structures géologiques basée sur l'utilisation du bruit sismique continu. Dans ce travail nous avons utilisé cette approche dans deux problématiques différentes. La première consiste à réaliser le suivi temporel des vitesses des ondes sismiques dans la croûte lors de séismes lents qui ont eu lieu dans la région de Guerrero au Mexique. Les séismes lents sont des glissements asismiques et transitoires qui ont été découverts récemment dans la lacune sismique de Guerrero. Ils sont considérés comme une part importante de la relaxation des déformations dans le cycle sismique. Les séismes lents affectent le processus de chargement et déchargement de l'interface, il est donc important de comprendre le comportement mécanique de la subduction dans cette région pour mieux évaluer le risque sismique. Dans notre étude, nous avons mesuré les perturbations de vitesse des ondes associées à deux séismes lents en 2006 et 2009-2010 à partir des enregistrements continus du bruit sismique. Pour chacun des deux séismes lents on observe une chute de vitesse : elle s'élève à 0.2% pour celui de 2006 et à 0.8 % pour celui de 2009-2010. Au cours de ces séismes lents, les ondes de longues périodes (>10 s) sont perturbées. A courtes périodes, aucune variation de vitesse n'est observée ce qui suggère qu'un endommagement des couches superficielles de la croûte ne peut pas être à l'origine du changement de vitesse. Par ailleurs, la perturbation de vitesse est reliée au taux de dé- formation plutôt qu'à la déformation elle-même. Cette observation suggère que pendant de forts séismes lents, la croûte chevauchante présente un comportement mécanique non linéaire. Nous pouvons donc utiliser les variations de vitesse comme des marqueurs du taux de déformation du milieu. Enfin, une corrélation entre les trémors non volcaniques et les variations de vitesse suggère qu'une part importante de la déformation résultant des séismes lents est accommodée par la croute chevauchante. La deuxième problématique abordée dans cette thèse est l'imagerie de structures à fort contraste de vitesse et dans lesquelles la propagation des ondes de surface est complexe. Imager et comprendre la propagation des ondes dans la vallée de Mexico est crucial pour l'estimation du risque sismique à la capitale. Nous mesurons la dispersion des ondes de Rayleigh reconstruites à partir d'intercorrélations de bruit de fond sismique. Pour identifier les modes nous utilisons une mesure du rapport spectral des composantes horizontales sur la composante vertical (H/V) sur la coda des séismes que l'on compare avec le rapport H/V théorique. Grâce à cette identification des modes, nous pouvons retrouver le modèle de vitesse de la structure. / Recent years have seen the development of a new method for imaging geological structures based on continuous seismic noise. In this work we used this approach in two different problems. The first is to monitor seismic waves velocity in the crust during slow slip events that occurred in the region of Guerrero in Mexico. These slow slip events are aseismic transients that were observed recently in the seismic gap of Guerrero. They are considered an important part of the strain relaxation in the seismic cycle. Since slow slip events affect the process of loading and unloading of the interface, it is important to understand the mechanical behavior of the subduction in this region to better assess the seismic risk. In our study, we measured wave velocity perturbations associated with two slow slip events in 2006 and 2009-2010 from continuous recordings of seismic noise. For both events we observed a drop in wave speed : it reaches 0.2 % in 2006 and 0.8 % in 2009-2010. During these slow slip events waves of long periods (> 10 s) are disturbed. At short period, no velocity variation is observed suggesting that damage of the superficial layers of the crust cannot produce such velocity perturbation. Moreover, the wave speed change is related to the strain rate rather than the deformation itself. This observation suggests that during strong slow slip events the overriding crust presents a nonlinear mechanical behavior. We can therefore use the velocity variations as a proxy of the strain rate of the medium. Finally, a correlation between non-volcanic tremor and changes in waves speed suggests that part of the deformation resulting from the slow slip events is accommodated by the overriding crust. The second issue addressed in this thesis is imaging geological structures with high velocity contrast in which the propagation of surface waves is complex. Charac- terizing and understanding wave propagation in the Valley of Mexico is crucial for the estimation of seismic risk in Mexico City. We measure the dispersion of Rayleigh waves reconstructed from cross-correlations of seismic noise. To identify the modes of Rayleigh waves we use a measure of the spectral ratio of the horizontal components to the vertical component (H / V) in the coda of earthquakes which are compared with the theoretical H / V. With this identification method, we can find the velocity model of the structure.

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