Quantification of the interseismic coupling along the Chilean subduction zone
Quantification du couplage au long de la subduction Chilienne
Résumé
The chilean part of the subduction zone between the Nazca and South American plates is an ideal laboratory to understand the seismic and aseismic processes that take place on such a plate boundary. For instance, measuring the elastic deformation of the upper plate during the interseismic loading phase using GPS can help assessing the degree of locking between both plates. We calculate the kinematic coupling coefficient using a simple elastic modeling in which a backslip motion is applied on a buried dislocation in a semi-infinite elastic half-space. During this PhD, my aim was to obtain the coupling distribution along the entire chilean trench (18 ◦ S-38 ◦ S) and to compare it to seismotectonic segmentation of the megathrust. Therefore I collected all the previously published interseismic velocities and combined them into a single coherent data set. New data were also collected and processed since 2009 on new or renovated campaign networks. We obtain a new data set that covers almost all the subduction zone on more than a
hundred benchmarks. Those data were used to map precisely the coupling distribution on the interface. Coupling strongly varies both along strike and along dip and draws a segmentation of the megathrust. The highly coupled segments correlate well with the rupture zones of historical megathrust
earthquakes and intersegments, that are low coupled areas, correlate with zones that behave as barriers to the seismic propagation. Furthermore, intersegments often correlate with anomalies in the coastline (bays, peninsulas), subducting bathymetric features (ridges, fracture zones) and with a high-rate of moderate-magnitude subduction earthquakes. The Maule earthquake that occurred on February 27, 2010 ruptured a highly locked segment and stopped in low coupled intersegment areas. This earthquake gave us new insights on the relationship between apparent coupling coefficient and mechanical behavior of the subduction interface. Therefore, coupling maps should help estimating the seismic hazard along the Chilean subduction zone. In particular, we show here that the North Chile seismic gap is not formed of one single highly coupled segment and that it is cut in two by a large intersegment zone where coupling is low around Iquique. Finally, Loa, Paranal and Atacama highly coupled segments are identified as zones that may rupture alone with a Mw>8 subduction earthquake, or with a megathrust earthquake in case of collective rupture, and where the seismic hazard is high.
La zone de subduction entre les plaques Nazca et Amérique du Sud constitue, aux latitudesdu Chili, un laboratoire naturel d’exception pour étudier les processus qui permettent d’accommoder la convergence sur l’interface de subduction. En particulier, la mesure par GPS de la déformation de la plaque supérieure pendant la phase intersismique sur la subduction permet de quantifier l’intensité du blocage sur l’interface via le coefficient de couplage cinématique. Ce dernier peut être déterminé en utilisant un modèle de dislocation simple dans un milieu homogène élastique sur laquelle on applique la théorie du backslip. Cette thèse a pour objectif de déterminer la valeur de ce couplage intersismique au long de la subduction chilienne (18 ◦ S-38 ◦ S) et d’analyser ces variations en relation avec la segmentation sismotectonique et la sismicité historique. Pour cela, les vitesses intersismiques collectées au cours de ces 20 dernières années ont été combinées dans un même référentiel et de nouvelles données GPS ont été acquises sur des réseaux installés ou rénovés par les équipes franco-chiliennes depuis 2009. Cet effort instrumental associé au travail de traitement des données que j’ai réalisé conduit à un jeu de vitesses intersismiques sur plusieurs centaines de points et quasi continu sur la marge chilienne. Ces données ont été utilisées pour élaborer une cartographie précise du couplage au long de la subduction chilienne. La distribution de couplage qui est présentée dans ce manuscrit montre d’importantes variations latérales et en profondeur de la valeur du couplage et dessine ainsi une segmentation de la marge. Les segments fortement couplés semblent corrélés aux grandes ruptures historiques, tandis que les intersegments découplés semblent se comporter comme des barrières à leur propagation. Les zones d’intersegments correspondent à des zones atypiques de la subduction, souvent associées à des anomalies du trait de côte (baies, péninsules), à l’entrée en subduction de structures bathymétriques (rides, fractures) et à une sismicité de fond importante. Le séisme de Maule du 27 février 2010 (Mw 8.8) qui a rompu un segment fortement couplé et qui s’est arrêté dans des zones de faible couplage a permis de proposer un lien entre le couplage apparent et le comportement mécanique de l’interface.
Sur la base de cette analyse, il semble possible d’utiliser les cartes de couplage intersismique pour mieux estimer l’aléa sismique au Chili. Dans ce travail, nous apportons notamment un éclairage nouveau sur la lacune du Grand Nord Chili en montrant que le segment couplé du Loa
est nettement plus restreint que la lacune en elle-même et qu’un large intersegment découplé s’y développe autour d’Iquique. Une attention particulière est donc portée aux régions de l’Atacama, du Paranal et du Loa qui correspondent à des zones très fortement couplées, chacune susceptibles de produire un grand séisme de subduction potentiellement associé à un tsunami, et un séisme géant en cas de rupture collective.