La dynamique de la rupture sismique peut être fortement dépendante des hétérogénéités des failles, qui se traduisent par des hétérogénéités de ses propriétés de friction. Nous abordons cette problématique de manière numérique et expérimentale. Dans l'étude numérique, nous étudions l'effet des hétérogénéités de petite échelle sur des modèles 3D de rupture dynamique. Nous proposons une méthode d'homogénéisation par l'utilisation de lois de friction effectives qui permettent de reproduire les effets dynamiques des hétérogénéités de petite échelle sur la phase d'initiation de la rupture mais aussi, dans des modèles simples, sur la phase de propagation. Nous proposons ensuite une technique expérimentale innovante pour l'étude de la dynamique des ruptures en laboratoire: un dispositif d'imagerie par interférométrie des tavelures ultrasonores est couplé à une expérience de friction classique et permet de visualiser la propagation des ruptures sur l'interface de friction, ainsi que le champ d'onde émis à l'intérieur du matériau. Nous présentons les premiers résultats expérimentaux puis nous utilisons cette expérience pour étudier l'effet des hétérogénéités de la surface de friction sur la dynamique des ruptures. / Seismic rupture dynamics can be highly dependent on the heterogeneity of faults, modelised by heterogeneity of the friction properties. We address this issue both numericaly and experimentaly. In the numerical study, we study the effects of small scale heterogeneity in 3D dynamic rupture modeling. We develop an homogenizing technique that allows to reproduce the effects of small scale hetereogeneity during the initiation phase, and for simple examples, during the propagation phase of the rupture. We then present a new experimental technique for laboratory study of rupture propagation. By coupling a classical friction experiment with an imaging technique by ultrafast ultrasonic speckle interferometry, we can observe the propagation of the rupture at the friction interface and the full-wave field emited in the bulk. We present the first experimental results and then use this apparatus to study the effect of heterogeneity on dynamic rupture propagation.

Ce rapport résume mes travaux de recherche et montre un plan de perspective. Le titre devra être intitulé "Processus Dynamique de la Génération de Tremblement de Terre et son Implication vers l'Aléa Sismique" (Dynamic Earthquake Generation Process and its Implication towards to Seismic Hazard). Les travaux sont réalisés essentiellement à l'Université de Tokyo, Japon (1995 —- 2000), à l'Ecole Normale Supérieure de Paris, France (2000 –- 2003), à l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, (2003 –- 2004) et au BRGM (French Geological Survey, 2004 –- présent) au travers de différents collaborations. Les centres d'intérêt se trouvent ; Comment se passe-t-il, le tremblement de terre, notamment en niveau de la source ? Que faut-il faire afin de contribuer au besoin du risque sismique ? Pour ce but, j'ai pris l'approche numérique et théorique qui fait partie de recherches importantes ainsi que la compréhension de la physique des phénomènes et l'application vers l'aléa sismique. Le résultat principal est la modélisation numérique de la rupture dynamique dans un système complexe de faille lors d'un séisme, par exemple le séisme de Landers en 1992, le séisme d'Izmit en 1999 etc. Il est montré que ce processus dynamique contrôlé par la contrainte et le comportement de faille affecte le rayonnement des ondes sismique par conséquence. L'effet de cette source dynamique est donc essentiel lors on discute de mouvement sismique en champ proche de source. Cela dit que certains aspects de tremblements de terre pourront être physiquement reproduits, c'est-à-dire, prédictibles. Cette prédictibilité ou non-prédictibilité serait une clé de recherche.

La Mongolie caractérise la transition entre les structures compressives liées à la collision Inde-Asie et extensives du rift du Baïkal. Elle a connu depuis 1905 quatre séismes de magnitude supérieure ou égale à 8, (Tsetserleg, Bolnaï, Fu Yun et Gobi-Altaï). Les ruptures associées à ces événements forment un parallélogramme composé par des failles décrochantes sénestres est-ouest et décrochantes dextres NNO-SSE. Au centre, le dôme du Hangaï est associé à des failles normales et à un volcanisme alcalin récent. <br /> L'étude de la source des deux séismes de 1905 indique une propagation dominante des ruptures vers l'est. Le séisme de Tsetserleg (Mw = 7,95 ± 0,02.) aurait continué au-delà des ruptures cartographiées. L'initiation du séisme de Bolnaï (Mw = 8,4 ± 0,1) s'est faite à l'intersection entre la faille principale et celle de Teregtiin. <br /> Les ruptures associées au séisme du Gobi-Altaï sont complexes et bordent le massif de Ikhe Bogdo qui subit une rotation antihoraire (24° ± 11° ) depuis le Miocène. L'intervalle de récurrence sur cette faille est d'environ 5000 ans avec une vitesse d'environ 1 mm/an. <br /> Le mouvement sur les failles décrochantes conjuguées de l'Altaï et du Gobi-Altaï est amorti sur des failles inverses, l'ensemble formant des coins en compression. La formation du dôme du Hangaï est le résultat d'une combinaison entre un panache mantélique et du front compressif lié à la collision Inde-Asie. Le massif subit une rotation horaire. <br /> La sismicité correspond à des répliques tardives des séismes récents plus nombreuses sur les segments à rejet vertical que décrochants. Une compression orientée N20 ± 10° permet d'expliquer toutes les déformations indiquant la prépondérance actuelle du front compressif associé à la collision Inde-Asie, précédée d'un épisode mantélique qui a préparé la région. Nous proposons un modèle de déformation pure combinée avec une rotation horaire pour la Mongolie.

L'arc des Petites Antilles situé sur la bordure nord-est de la plaque Caraïbe, résulte d'un phénomène de subduction, les plaques américaines plongeant sous celle de la Caraïbe avec une vitesse de 2 cm/an. Les Antilles Françaises représentent la région française où le risque sismique est le plus important. Ce travail dont l'objectif est d'améliorer la connaissance de l'aléa sismique dans les Antilles Françaises, repose sur les données du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP) et sur celles du « Centre de Données des Antilles Françaises ». L'analyse de ces données permet de mieux contraindre la sismicité de l'arc. Deux zones de très faible sismicité sont mises en évidence : au nord près des Iles Vierges et au sud entre Sainte-Lucie et Grenade. D'autres points sont aussi résolus : imagerie de la subduction le long de l'arc, relations entre la sismicité superficielle et la tectonique active, variations de la pente (b-value) de la loi de Gutenberg-Richter. Le séisme majeur du 21 novembre 2004 Mw=6.3 est au cœur des deux derniers chapitres. Plusieurs aspects y sont présentés : macrosismicité avec l'évaluation d'intensités EMS98 obtenues du dépouillement de formulaires individuels recueillis pour les Iles des Saintes, et relocalisation par la méthode de maître/esclave du choc principal et de sa plus forte réplique du 14 février 2005, de façon à mieux contraindre l'imagerie de la source du choc principal, étape primordiale pour la dernière partie portant sur la modélisation des signaux du choc principal des Saintes. Nous tentons dans cette dernière partie de modéliser les enregistrements de mouvements forts avec une approche semi-empirique en se basant sur un modèle stochastique large-bande et proposons l'utilisation de plusieurs Fonctions de Green Empiriques (FGE) sélectionnées parmi les répliques du séisme des Saintes.

Simuler les mouvements du sol produits par un séisme est une étape essentielle pour évaluer l'aléa sismique d'une région. L'objectif de cette étude est de fournir un code simple d'utilisation permettant de simuler de manière efficace les mouvements du sol. <br /><br />Pour s'affranchir de la connaissance du milieu de propagation, nous utilisons la technique des fonctions de Green empiriques. Les mouvements du sol sont alors reconstruits par la sommation des enregistrements de plusieurs petits séismes décalés dans le temps de manière à reconstituer le processus de rupture du gros séisme. La principale problématique de cette étude est la mise en place d'un schéma de sommation efficace permettant de générer des accélérogrammes réalistes dans le domaine temporel et en bon accord avec les lois d'échelles (loi de similitude et modèle en w-2) dans le domaine fréquentiel.<br /><br />Grâce à l'intégration de méthodes statistiques, nous évitons les problèmes majeurs rencontrés classiquement dans ce type d'étude. Nous aboutissons finalement à deux nouvelles méthodes de simulations: une méthode purement stochastique nécessitant la connaissance de seulement deux paramètres concernant le séisme cible (moment sismique et chute de contrainte) et une méthode stochasto-cinématique permettant de reproduire certaines propriétés cinématiques de la rupture sismique sur le plan de faille.<br /><br />Ces deux méthodes sont testées avec succès sur des données réelles (Mexique et Italie). La méthode stochastique est ensuite appliquée pour simuler les mouvements du sol susceptibles d'être produits par deux séismes de magnitude modérée dans la région niçoise: un séisme de magnitude 5.7 à terre (10 km au nord de Nice) et un séisme de magnitude 6.3 en mer (25 km au sud de Nice). Ces simulations mettent en évidence trois points importants: (1) les forts effets d'amplifications sur certains sites à Nice, (2) l'importance des mouvements du sol susceptibles d'être produits par un séisme de magnitude 5.7 à terre et (3) le rôle majeur joué par la valeur de la chute de contrainte du séisme potentiel.

Les deux séismes que nous avons choisis d'étudier se sont tous les deux produits sur des failles cachées et ignorées. Nous avons utilisé toutes les données disponibles pour préciser la localisation et la géométrie des failles ayant joué lors des deux séismes. Le séisme de Tottori s'est produit sur une faille en décrochement, le glissement est superficiel mais aucune trace claire n'a été observée en surface. Tous les modèles inversés montrent un glissement au sommet de la faille contredisant ainsi les observations en surface. Nous avons testé plusieurs modèles enterrés (compatibles avec les observations en surface) à différentes profondeurs. Les résultats montrent que lorsque le glissement est autorisé à se produire près de la surface, l'accord aux données est sensiblement amélioré. Ces tests confirment que le glissement s'est produit proche de la surface. La projection des répliques sur le plan de faille montre que la distribution du glissement sur la faille est contrôlée par une variation des propriétés de le faille avec la profondeur. La rupture lors de ce séisme semble s'arrêter à l'intersection avec un segment de faille perpendiculaire. Le même phénomène est observé pendant le séisme de Boumerdes. La localisation précise de la faille lors de cet événement est possible grâce aux données GPS. La position de faille proposée explique bien les observations. La distribution du glissement sur la faille après inversion en deux étapes, montre que la rupture est bilatérale avec deux zones de large glissement. Le calcul de la variation de contraintes de Coulomb, montre un chargement de la partie NW de la faille de Thénia, supposée jouer un rôle dans l'arrêt de la rupture.

Ce travail est consacré à l'étude de la source sismique en utilisant des données de champ proche. Selon la quantité et la qualité des données disponibles, nous avons appliqué différentes méthodes pour caractériser la rupture sismique. Nous avons, tout d'abord, validé des méthodes macrosismiques sur des séismes français récents. Ces données permettent d'estimer la localisation et la taille des séismes historiques et sont utilisées pour caractériser les séismes à prendre en compte lors de l'évaluation de l'aléa dans des régions à sismicité modérée. Les données géodésiques (SAR, GPS) nous ont permis d'estimer la distribution du glissement sur la faille lors du séisme californien de Landers (1992). Ces données nous ont permis de préciser la localisation et la géométrie des failles ayant joué lors des principaux événements de la séquence sismique italienne de Colfiorito (1997). Enfin les données de mouvement fort nous ont permis d'estimer le pendage de la faille ayant rompu lors du séisme indien de Chamoli (1999). Nous avons utilisé des données de mouvement fort pour contraindre le développement de la rupture lors du séisme mexicain de Oaxaca (1999). Les données de mouvement fort ont été utilisées en association avec des données géodésiques pour remonter au développement temporel de la rupture lors du séisme de Landers et de la séquence sismique de Colfiorito. En ce qui concerne le séisme de Landers, la qualité et la complémentarité des données nous ont permis d'obtenir un véritable film du glissement. La rupture est hétérogène. On note la présence de zones où le glissement est plus important qu'ailleurs. Ces zones sont séparées par des régions qui correspondent aux zones de relais entre les segments de faille où le glissement est moindre et où la vitesse de rupture diminue.

La dynamique de la rupture sismique peut être fortement dépendante des hétérogénéités des failles, qui se traduisent par des hétérogénéités de ses propriétés de friction. Nous abordons cette problématique de manière numérique et expérimentale. Dans l'étude numérique, nous étudions l'effet des hétérogénéités de petite échelle sur des modèles 3D de rupture dynamique. Nous proposons une méthode d'homogénéisation par l'utilisation de lois de friction effectives qui permettent de reproduire les effets dynamiques des hétérogénéités de petite échelle sur la phase d'initiation de la rupture mais aussi, dans des modèles simples, sur la phase de propagation. Nous proposons ensuite une technique expérimentale innovante pour l'étude de la dynamique des ruptures en laboratoire: un dispositif d'imagerie par interférométrie des tavelures ultrasonores est couplé à une expérience de friction classique et permet de visualiser la propagation des ruptures sur l'interface de friction, ainsi que le champ d'onde émis à l'intérieur du matériau. Nous présentons les premiers résultats expérimentaux puis nous utilisons cette expérience pour étudier l'effet des hétérogénéités de la surface de friction sur la dynamique des ruptures.

Depuis maintenant une vingtaine d'années, l'essor des télécommunications numériques a généré toute une panoplie de méthodes dites de déconvolution aveugle. Celles-ci permettent de séparer les différentes composantes d'un produit de convolution sans en avoir aucune connaissance a priori. L'objectif de ce travail de thèse a été d'étudier leurs modalités d'applications à la sismologie, afin notamment, d'estimer la fonction source du mouvement sismique ou les effets de site. L'adaptation de la déconvolution à phase minimale au signal de coda, nous a permis d'identifier les fonctions sources de deux types d'évènements sismiques : l'explosion sous-marine du Kursk (12/08/2000), d'une part et le séisme de Rambervillers (22/02/2003, Ml=5.4) d'autre part. Nous avons ainsi pu estimer respectivement la profondeur, la charge de l'explosion ainsi que la durée et le moment sismique du séisme. Grâce à cette méthode, nous avons montré qu'il est aussi possible d'estimer les effets de site en différentes stations du RAP pourtant séparées de plusieurs dizaines de kilomètres. Nous avons ensuite appliqué les méthodes de déconvolution aveugle par statistique d'ordre supérieur aux signaux de coda stationnarisés du séisme de Rambervillers. Ces méthodes ont l'avantage de supprimer l'hypothèse de phase minimale, contraignante et théoriquement non justifiée en sismologie. La fonction source obtenue grâce à la tricorrélation moyennée sur l'ensemble du réseau, est très similaire à celle obtenue après déconvolution par fonction de Green Empirique. Les exemples traités montrent que les méthodes développées ici sont très prometteuses et mériteraient d'être appliquées à de nombreux autres jeux de données.

Simuler les mouvements du sol produits par un séisme est une étape essentielle pour évaluer l'aléa sismique d'une région. L'objectif de cette étude est de fournir un code simple d'utilisation permettant de simuler de manière efficace les mouvements du sol. Pour s'affranchir de la connaissance du milieu de propagation, nous utilisons la technique des fonctions de Green empiriques. Les mouvements du sol sont alors reconstruits par la sommation des enregistrements de plusieurs petits séismes décalés dans le temps de manière à reconstituer le processus de rupture du gros séisme, La principale problématique de cette étude est la mise en place d'un schéma de sommation efficace permettant de générer des accélérogrammes réalistes dans le domaine temporel et en bon accord avec les lois d'échelles (loi de similitude et modèle en w~2) dans le domaine fréquentiel. Grâce à l'intégration de méthodes statistiques, nous évitons les problèmes majeurs rencontrés classiquement dans ce type d'étude. Nous aboutissons finalement à deux nouvelles méthodes de simulations: une méthode purement stochastique nécessitant la connaissance de seulement deux paramètres concernant le séisme cible (moment sismique et chute de contrainte) et une méthode stochasto-cinématique permettant de reproduire certaines propriétés cinématiques de la rupture sismique sur le plan de faille. Ces deux méthodes sont testées avec succès sur des données réelles (Mexique et Italie). La méthode stochastique est ensuite appliquée pour simuler les mouvements du sol susceptibles d'être produits par deux-séismes de magnitude modérée dans la région niçoise: un séisme de magnitude 5.7 à terre (10 km au nord de Nice) et un séisme de magnitude 6.3 en mer (25 km au sud de Nice). Ces simulations mettent en évidence trois points importants: (1) les forts effets d'amplifications sur certains sites à Nice, (2) l'importance des mouvements du sol susceptibles d'être produits par un séisme de magnitude 5.7 à terre et (3) le rôle majeur joué par la valeur de la chute de contrainte du séisme potentiel.