Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Au cours du dernier siècle, plusieurs séismes majeurs ont affecté l'Himalaya. Cependant, la taille maximale de ces événements et la probabilité d'occurrence de méga-séismes avec des magnitudes proches de 9 sont toujours matière à débat. L'étude de la segmentation de l'arc Himalayen est donc primordiale afin de comprendre les mécanismes qui contrôlent ces séismes ainsi que leur extension spatiale. La compréhension du cycle sismique en Himalaya est aujourd'hui essentiellement basée sur des études menées au Népal central, ce qui limite notre connaissance de son fonctionnement tri-dimensionnel. Ce travail de thèse permet d'apporter de nouvelles contraintes sur les variations latérales de la déformation crustale dans la zone comprise entre l'ouest Népal (~80°E) et l'est Bhoutan (~92°E). La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude des variations latérales de la structure lithosphérique. Quatre campagnes gravimétriques ont été réalisées entre 2010 et 2012. Elles ont permis d'étendre le réseau gravimétrique Népalais jusqu'à l'ouest Népal et d'établir le premier réseau gravimétrique Bhoutanais. Ce nouveau jeu de données, combiné avec les données sismologiques disponibles, permet de contraindre des modèles thermo-mécaniques de la flexure de la plaque Indienne sous l'Himalaya. Les résultats suggèrent qu'il n'existe pas de variations latérales majeures du comportement mécanique de la lithosphère Indienne entre le centre et l'est Népal contrairement au Bhoutan où une rigidité flexurale plus faible est nécessaire pour expliquer les données.La deuxième partie de cette thèse est consacrée à l'étude des variations latérales des déformations récentes dans le prisme Himalayen. Les études paléosismologiques menées depuis 15 ans en Himalaya ont permis d'étendre le catalogue des événements majeurs sur le dernier millénaire. En intégrant à la fois les contraintes disponibles sur ces séismes majeurs et le chargement séculaire, nous étudions les variations spatiales et temporelles de l'état de contrainte du chevauchemlent Himalayen principal le long de l'arc. Nos calculs montrent que même dans la cas où un méga-séisme se serait produit en ~1100 en Himalaya, le chargement séculaire a quasiment compensé la chute de contrainte associée. Les modèles montrent aussi que le séisme du Shillong ne joue pas un rôle majeur sur les contraintes accumulées sur le chevauchement Himalayen depuis 1897 au niveau du Bhoutan. Enfin, nous présentons les premières contraintes sur la tectonique active au Bhoutan. L'étude morphotectonique réalisée au centre du Sud-Bhoutan a permis de montrer que la majeure partie de la déformation Holocène est accommodée au niveau du front Himalayen, comme au Népal. Nous montrons aussi des évidences de ruptures de surface avec des décalages verticaux de plusieurs mètres associés à deux séismes majeurs sur le dernier millénaire. Ces évidences remettent en cause l'interprétation d'un méga-séisme en ~1100. / Several major earthquakes have struck the 2500 km long Himalayan range during the past century. However, both the maximum size of such earthquakes and the probability of occurrence of a magnitude 9 megaquake are still a mater of debate. In this framework it is of key importance to investigate the lateral segmentation of the Himalayan arc in order to deepen our understanding of the mechanisms that control such events as well as their extents. Besides the remarkably uniform tectonic set-up and the fact that most studies on the Himalayas have focused on Central Nepal, several indications of along strike changes can be gathered.This thesis brings new constraints on lateral variations of crustal structure and of deformation between western Nepal (~80°E) and eastern Bhutan (~92°E).The first part of this thesis focuses on the lateral variations of crustal structure. In the past three years we have carried out four land gravity campaigns. We have established 366 new gravity measurement points to fill the data gaps in central and western Nepal as well as in Bhutan. This new dataset, together with available seismological data, is used to constrain thermo-mechanical models of the bending of the India plate underneath the Himalayas. While the inferred crustal geometry does not exhibit major along-strike variations over central and eastern Nepal, the shorter wavelength flexure of the lithosphere in Bhutan is associated with a weaker upper mantle rheology.The second part focuses on the lateral variations of recent deformation in the Himalayas. Fifteen years of paleoseismological investigations have extended the catalogue of major Himalayan events over the last millennium. Combining these information with secular loading, we assess the spatial and temporal stress changes on the Main Himalayan Thrust along the orogen over the last nine centuries. Our calculations indicate that inter-seismic loading has now nearly overcome the Coulomb stress decrease caused by the great ~1100 medieval earthquake. Our results also point out that the 1897 Shillong plateau earthquake does not have a major influence on the stress accumulated on the Main Himalayan Thrust since then. In order to better characterize active tectonics in the Bhutan Himalayas where no studies were done so far, we carried out a morphotectonic analysis in the south-central part of the kingdom. We show that the same amount of Holocene deformation is accommodated on the frontal thrust in Bhutan as on the neighbouring portions of the Himalayan arc. We also find evidences for two major (M>8) earthquakes on this thrust in the Bhutan Himalayas during the last millennium. Our results therefore show that Bhutan cannot be considered as a seismic gap. They also challenge the interpretation of one single ~1100 medieval mega-event that would have ruptured the Main Frontal Thrust from central Nepal to eastern Bhutan.

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Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Depuis plus de quinze ans, l'enregistrement des signaux hydroacoustiques par des hydrophones dans le canal SOFAR (SOund Fixing And Ranging) a permis la détection et la localisation de nombreux séismes de faible magnitude dans l'océan. Cependant, l'interprétation de ces signaux hydroacoustiques appelés ``ondes T'' ne permet pas de fournir une information directe sur les magnitudes, les mécanismes aux foyers et les profondeurs focales des séismes en cause. Cette limitation vient en partie du fait que le mécanisme de conversion des ondes sismiques en ondes acoustiques au passage du fond océanique n'est pas totalement compris à ce jour. Pour tenter de résoudre ce problème, nous avons développé un code mécanique 2D solide-fluide capable de modéliser le processus de conversion sismo-acoustique. En calculant de manière exacte la solution du champ de vitesses de l'onde acoustique produite, notre modèle montre qu'une source en double couple dans la croûte océanique produit des ondes T dans la colonne d'eau avec des angles permettant de se propager dans le SOFAR. Notre modèle confirme également l'importance relative des ondes P et S dans l'amplitude de l'onde T produite. Des développements sont en cours pour modéliser l'effet des caractéristiques topographiques régionales ou locales du fond océanique sur la production des ondes T. A terme, les sorties de ce modèle, utilisées comme entrées d'un code de propagation acoustique longue distance, pourraient permettre de modéliser l'onde T sur l'ensemble de son trajet, de la source sismique à l'hydrophone.

Este trabajo de Tesis tiene por objetivo general dar soluciones a diferentes problemas relacionados con la detección automática de señales sísmicas. Dichos problemas incluyen el picado de los tiempos de los primeros arribos en exploración sísmica, la detección y determinación de los tiempos de llegada de fases de terremotos en registros de estaciones sismológicas, y la declaración y picado de los arribos de eventos en registros de microsismicidad. Para ello, se estudian diversos atributos sísmicos convencionales y no convencionales diseñados para realzar la llegada de las señales de interés por sobre el ruido de fondo de los datos. A partir de estos atributos se proponen nuevos algoritmos, estrategias y métodos para detectar las señales buscadas de forma eficiente, automática y precisa. En particular, se analiza la dimensión fractal de la traza sísmica, se aclaran algunas suposiciones teóricas e hipótesis que deben realizarse al considerar una traza sísmica como una curva fractal, y se evalúan distintas estrategias para estimar su dimensión. A partir de ejemplos con datos sintéticos y reales, se prueba que la dimensión fractal obtenida a través del método del variograma es un atributo que evidencia claramente la transición entre el ruido y la señal con ruido. Se desarrollan también tres nuevos métodos para detectar los tiempos de los primeros arribos en registros sísmicos complejos de forma automática. Los atributos en los que se basan estos nuevos algoritmos están dados por un cociente de energías, por la entropía de la traza sísmica, y por su dimensión fractal, aprovechando en este último caso los resultados del análisis previo. Los cambios detectados en los atributos son realzados mediante la aplicación de un filtro de suavizado que preserva los saltos bruscos. Estos algoritmos determinan los primeros arribos analizando las trazas sísmicas individualmente. Se introduce luego un novedoso proceso de corrección de picados erróneos que considera simultáneamente todo el conjunto de las trazas pertenecientes a un mismo registro de disparo común teniendo en cuenta la alineación aproximada de los primeros arribos dada por el modelo de refracción. Este procedimiento permite además descartar las trazas malas de forma automática. Los métodos propuestos son luego mejorados y aplicados a un gran volumen de datos reales provistos por la industria que presentan distintos desafíos y dificultades. Para estudiar la detección de señales en sismología, se realiza un análisis comparativo entre ocho métodos V de detección automática de fases de terremotos. El conjunto de ocho métodos analizado está formado por la adaptación de los tres algoritmos desarrollados para picar primeros arribos, por tres métodos tradicionales, y por dos métodos obtenidos a partir de modificaciones a dos de los métodos tradicionales. El estudio es llevado a cabo utilizando registros obtenidos en la Estación Sismológica de La Plata (LPA). Como resultado, se realiza una valoración relativa de los ocho métodos de detección en la que algunos de ellos se destacan por sobre otros, y se obtienen así herramientas computacionales para realizar la detección automática de fases de terremotos en estaciones sismológicas. Por último, se seleccionan tres de estos ocho métodos y a partir de ellos se genera una nueva metodología para detectar microsismos de forma automática que consta de dos pasos. En el primer paso se detectan y determinan todos los tiempos de aquellos eventos que representan un potencial arribo de un microsismo, traza por traza en todo el registro. En el segundo paso, se utiliza un criterio que analiza todo el registro en su conjunto para declarar la presencia de microsismos. Como resultado se obtienen el número de microsismos declarados, un indicador de confianza asociado a cada uno de ellos, y los tiempos de llegada para aquellas trazas en las que el evento es detectado.

La propagation d'ondes sismiques dans les milieux poreux contenant des fluides engendre des phénomènes<br />électromagnétiques dus à des couplages électrocinétiques à l'échelle des pores. Ces effets sont perçus comme une<br />nouvelle méthode de caractérisation des milieux poreux avec des applications potentiellement importantes en<br />géophysique de réservoir. Afin de mieux comprendre les mécanismes de conversion d'énergie sismique en<br />énergie électromagnétique, nous avons construit une expérience analogique dans le Laboratoire Souterrain à Bas<br />Bruit (LSBB, Rustrel). Le dispositif expérimental est constitué d'une colonne cylindrique (1 m de haut et 8 cm de<br />diamètre) remplie de sable de Fontainebleau et équipée d'accéléromètres piézoélectriques, d'électrodes non<br />polarisables et de magnétomètres à induction. La comparaison des réponses sismo-électromagnétiques en milieu<br />sec ou humide permet de confirmer l'origine électrocinétique des phénomènes observés. Les différences de<br />vitesse apparente des champs sismique et électrique (1250 m/s) d'une part, et magnétique (800 m/s) d'autre part,<br />montrent que le champ sismo-magnétique est couplé aux modes de propagation transverses. Cette étude<br />s'enrichit par ailleurs d'une série d'observations du champ sismo-électrique qui soulignent l'intérêt de telles<br />mesures sur le terrain. Ce travail montre également la nécessité de poursuivre le développement de la théorie des<br />effets électrocinétiques en milieu partiellement saturé.

La tectonique récente et actuelle de l'arc des Alpes occidentales internes est étudiée ici d'un point de vue structural et sismologique. L'approche pluridisciplinaire de ce sujet a permis de caractériser un régime tectonique tardi-alpin extensif à grande échelle dans les zones internes. L'analyse structurale et morphotectonique d'une zone cible, au sud-est du massif du Pelvoux, montre qu'une fracturation tardi-alpine extensive s'y exprime suivant un réseau de failles longitudinales et transverses à l'arc alpin. Cette déformation cassante est postérieure à la mise en place des nappes de charriage, à leurs plissements et aux schistosités associées, la dernière se développant au cours du Miocène. Elle se poursuit au Plio-Quaternaire, comme le montre un faisceau d'indices néotectoniques. Un jeu décrochant est postérieur au jeu normal ; il s'exprime par des mouvements dextres suivant les failles longitudinales et sénestres suivant les failles transverses. Le calcul des champs de contraintes associés (inversion des données microtectoniques) montre que les jeux normaux et décrochants correspondent à une seule « phase » tectonique globalement transtensive au cours de laquelle il y a permutation des axes de contraintes principaux. La zone cible fait partie de l'arc sismique briançonnais. Le calcul des mécanismes au foyer dans ce secteur établit que l'extension cassante tardi-alpine se poursuit actuellement. L'amélioration des localisations par l'utilisation de modèles de vitesses élaborés (1D/3D) a permis de montrer que plusieurs failles reconnues par l'analyse structurale sont sismiques. L'étude de la fracturation et les coupes sismotectoniques en arrière du front pennique crustal montrent que les failles normales se branchent sur cette discontinuité majeure de l'arc alpin, et suggère sa réactivation en détachement extensif. Les résultats d'une campagne de mesures GPS de 1996 dans la zone cible, comparés à des données IGN de 1972, sont compatibles avec les analyses sismotectonique et structurale. Ils mettent en relief une déformation plutôt décrochante, avec des vitesses de l'ordre de 3 à 4 mm/an. La déformation asismique dépasse 90% de la déformation totale déduite de ces mesures, durant le laps de temps considéré. L'élargissement de l'approche sismotectonique à l'ensemble des zones internes de l'arc alpin occidental montre que l'extension se développe au nord jusqu'au massif de l'Aar, et à l'est dans l'arc sismique piémontais. L'activité de ce dernier se localise à la bordure occidentale du corps d'Ivrée, laquelle fonctionne actuellement en faille normale. Le calcul du champ de contraintes actuel (inversion des solutions focales) permet de caractériser une extension radiale à l'arc alpin occidental dans une grande partie de ses zones internes. Elle entraîne la réactivation en extension des structures crustales majeures (front pennique crustal et bordure ouest du corps d'Ivrée). De part et d'autre de la zone en extension, le champ de contraintes est compressif (à l'est sous la plaine du Pô ; à l'ouest au front des massifs cristallins externes). L'extension affecte donc une zone de 400 km de long et de 50 km de large au coeur d'une chaîne en convergence. Une compétition entre des forces de volume dans la racine lithosphérique alpine et les forces aux limites de la chaîne (translation et rotation du poinçon apulo-adriatique) pourrait être à l'origine du contraste de régimes tectoniques mis en évidence dans l'arc alpin occidental. Nous proposons deux modèles dynamiques dans lesquels l'extension s'explique par le détachement ou le retrait d'un panneau lithosphérique plongeant sous la racine alpine.