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Géométrie, cinématique et vitesse des failles actives

Le problème de la variation de la vitesse des failles au cours du temps est un thème d’actualité. En effet, si la vitesse des failles varie rapidement (sur quelques milliers-dizaines de milliers d’années), on ne peut pas utiliser les mesures GPS pour déterminer les vitesses moyen terme. Les comparaisons
vitesses GPS / vitesses moyen terme sont encore assez peu nombreuses (faille Nord anatolienne, Altyn Tagh, Fleuve Rouge, et pour l’Iran principalement Minab-Zendan), et il n’est pas possible de dire actuellement si les différences observées sont réelles ou dues à des biais méthodologiques. En
supposant que les variations soient réelles, deux causes peuvent être invoquées : une variation du chargement à distance (vitesse entre plaques) ou un changement local de résistance de la faille. Dans le cas de l’Iran par exemple, les vitesses entre plaques changeant peu, ce sont des processus locaux qui doivent être privilégiés.

Nos compétences nous permettent de mesurer la vitesse des failles sur 2 échelles de temps caractéristiques : 1) instantanée (GPS), 2) 1000-100000 ans (paléosismologie). En nous appuyant sur la géodésie, la paléosismologie, la morphotectonique, la géologie structurale et les modélisations numériques nous tentons de comprendre et de modéliser les mécanismes qui controllent les variations d’activité des failles.

1 - Vitesse des failles actives, magnitudes et intervalles de récurrence des séismes à Téhéran.

L’agglomération de Téhéran est construite dans un environnement tectonique et sismique actif en raison de l’activité de plusieurs grandes failles. La première campagne de paléosismologie nous a permis de déterminer les vitesses Holocènes, d’estimer les magnitudes moyennes des derniers événements ainsi que leurs intervalles de récurrence moyens (thèse Nazari 2006). Nous poursuivons nos travaux sur les failles de Mosha (Thèse Solaymani, en cours), de Firuzkuh et Astaneh (Thèse Salamati en cours). Notre objectif est de fournir pour chaque segment de faille de la région de Téhéran la magnitude des dislocations et leurs intervalles de récurrence afin d’aboutir à une analyse probabiliste du risque sismique dans la région (projet ANR-CATELL ASIRAN).



2 - Fonctionnement des failles actives de Tabriz et de Minab

Le fonctionnement de ces deux failles aux vitesses assez proches (entre 5 et 9 mm/an)
est cependant très différent. Elles représentent 2 cas intéressants où une comparaison des vitesses à différentes échelles de temps sera riche d’enseignement.

  • Tabriz

La faille de Tabriz, longue d’environ 70 km, est le siège d’une activité sismique importante, caractérisée par des séismes de magnitude 7 avec un temps de récurrence compris entre 250 et 700 ans. Notre objectif est de déterminer la vitesse actuelle de la faille de Tabriz par des approches de géodésie GPS et d’InSAR et de quantifier les vitesses de glissement long terme et les périodes de récurrence sur les différents segments de cette faille.

  • Minab

Le système de failles Minab-Zendan-Palami assure la transition entre la zone de collision du Zagros et la subduction du Makran. Au cours des précédentes années nous avons réalisé des études tectoniques, sismologiques et de géodésie régionale. Le champ de vitesse obtenu après réitération des mesures GPS révèle un différentiel de 10 mm/an de part et d’autre de ce système de failles qui n’est accompagné que d’une très faible activité sismique. Nous souhaitons analyser la répartition et la nature (élastique, creep) de la déformation de part et d’autre de ce système de failles.

3 –Cinématique de la faille Nord Anatolienne

L’un des problèmes majeurs dans l’étude de l’aléa sismique est le rôle des mécanismes de couplage entre les séismes. En effet, on observe souvent des séquences d’évènements sismiques entrecoupés de période de quiescence. Ces observations remettent en cause le concept même de cycle sismique. Cela ne signifie pas pour autant que l’occurrence des grands séismes soit un phénomène chaotique pour lequel la connaissance de l’état passé et présent du système n’apporte rien sur la prévision d’un futur proche. En effet, le temps de récurrence entre les séismes et leur magnitude est fonction du taux de déformation et de ses variations temporelles. Les variations long terme du taux de déformation dépendent en grande partie de la nature de la déformation postsismique qui suit les séismes majeurs. Dès lors il est nécessaire, pour dépasser le concept de cycle sismique, de mesurer les interactions qui donnent lieu aux amas de séismes. Ceci repose sur des observations sur plusieurs échelles de temps :

  • 1- l’observation géodésique de séquences récentes, qui permet de mesurer la déformation postsismique et intersismique autour des ruptures récentes (échelle 0-100 ans),
  • 2- la détection et la datation de ruptures plus anciennes, qui permettent de définir le phénomène d’amas temporel (échelle 100-10 000 ans),
  • 3- la mesure de la vitesse long terme des failles, qui permet de vérifier si les informations trouvées pour les courts et moyens termes sont extrapolables sur le long terme.

De plus, la compréhension des interactions entre les séismes passe par la modélisation intégrant déformation, rhéologie et transferts de contraintes, pour prédire l’évolution future du système.

La faille Nord Anatolienne est un exemple idéal pour l’étude de l’aléa sismique et des phénomènes de couplage : Dix grands séismes ont eu lieu entre 1939 et 1999, les conditions aux limites loin de la faille sont bien contraintes par les études géodésiques récentes et le risque sismique associé à ces ruptures est malheureusement grand. En collaboration avec S. Ergintav (Tübitak) et R. Reilinger (MIT), nous avons installé et mesuré en 2004 un réseau d’une cinquantaine de points destiné à mesurer le taux de déformation le long des failles Nord et Est Anatoliennes de manière à évaluer les variations du taux de déformation en fonction de la distance à la faille et du temps écoulé depuis le dernier séisme. Ce réseau sera remesuré en 2007. Les mesures devraient permettre de remonter aux propriétés rhéologiques de la lithosphère et de l’asthénosphère, à l’épaisseur de la zone sismogène, et de mieux modéliser l’ensemble du cycle sismique. De plus l’installation de stations GPS permanentes (envisagée en 2006-2007) rendrait possible l’identification de signaux transitoires pré et post sismiques et la quantification de mouvements verticaux. Les calages des déplacements verticaux devraient permettre de discriminer sans trop de difficulté les différents modèles post-sismiques expliquant les mouvements horizontaux. Ce projet impliquera une proche collaboration entre tectoniciens, paléosismologues et géochimistes pour évaluer les vitesses de déplacement aux autres échelles de temps définies précédemment.

4 - Vitesses de failles en Mongolie-Sibérie

Nos travaux d’analyse morphotectonique dans le Gobi-Altay ont permis de calculer les vitesses sur les failles bordières du massif de Gurvan Bogd dans le Gobi-Alaty (Article de synthèse Ritz et al., GSA 2006) Nous souhaitons continuer la quantification des vitesses des failles mongoles, a priori lentes et pourtant capables de générer des séismes de magnitude 8, à l’instar de la faille de Bogd et comme le suggèrent les mesures de déplacements d’un premier réseau GPS large maille sur l’ensemble de la Mongolie (Calais et al., 2003 ; Vergnolle et al., 2003). Sur ces failles lentes distantes de 500 km, un premier modèle de déclenchement en cascade des séismes par transfert de contraintes visco-élastiques dans la croûte inférieure a été proposé (Chéry et al., 2001), mais pour aller plus loin dans la modélisation des processus mécaniques nous devons établir avec une plus grande précision quelles sont les vitesses des failles et les périodes de retour des grands séismes sur celles-ci. Nous souhaitons également analyser la question de la distribution de la vitesse le long de ces grandes failles qui font plusieurs centaines de kilomètres de long. Pour ce faire, nous souhaitons relancer un projet de recherches couplant la quantification des vitesses de déplacement par l’analyse morphotectonique/paléosismologique et par l’analyse géodésique. Dans le cadre de cette étude, nous projetons d’analyser en détail les séquences lacustres piégées derrière le glissement de Baga Bogd (Cf Philip & Ritz, 1999) qui offrent un enregistrement exceptionnel de plus de 100000 ans (Balescu et al., in press), idéal pour une étude paléosismologique du même type que celle réalisée dans les formations de Lisan du graben de la Mer Morte (e.g. Marco et al., 1996).
D’autre part, pour avancer dans la compréhension des mécanismes (notamment température et profondeur) de réactivation de ces grandes failles crustales, nous avons commencé une analyse de la lithologie et des structures qui caractérisent ces zones (avec notamment analyses XRD sur les minéraux argileux, et des analyse texturale au Microscope Electronique à Balayage des gouges de failles) ainsi que leur encaissant (Coll. A. Chauvet, groupe TECTO).