Dynamic earthquake ruptures on multiscale fault and fracture networks
Dynamique des tremblements de terre sur zones de faille et fracture multi-échelles
Abstract
Multiscale fault structures consist of macroscopic major fault networks surrounded by mesoscopic and microscopic fracture networks, considered as off-fault damage. Such geometrical complexity of natural fault structure modifies the rupture dynamics, the seismic wave radiation and the overall energy budget associated with earthquakes. Here we propose a continuum-discontinuum approach framework with combined finite-discrete element method (FDEM) to model dynamic earthquake rupture with the coseismic off-fault damage along natural fault networks.
We firstly modeled the dynamic earthquake rupture with the coseismic off-fault damage on a single planar fault. We showed the mechanism of dynamically generated off-fault fracture networks, the decrease in rupture velocity and the enhancement of high-frequency radiation in near-field ground motion. The overall energy budget is modified due to the additional radiation, and dissipation of the energy, associated with the secondary off-fault cracks.
We then conducted a dynamic earthquake rupture modeling on the 2016 Kaikōura earthquake, which shows a great potential to narrow down a subset of hypothetical rupture scenarios by comparing the displacement field perturbed by the coseismic off-fault damage with the observations.
Overall, this work has opened an avenue to model the dynamic earthquake ruptures with the continuum-discontinuum approach framework, which elucidates the effect of coseismic off-fault damage on the earthquake rupture dynamics and has shown the potential of further applications to natural fault systems.
Les zones de faille naturelles présentent une complexité structurelle à différentes échelles. Cette complexité géométrique impacte la dynamique de la rupture, la propagation des ondes sismiques ainsi que le bilan énergétique lors des tremblements de terre.
Dans cette étude, afin de pouvoir modéliser des ruptures sismiques le long de failles à géométrie réaliste, associées à la création de fractures secondaires, nous proposons une approche qui allie la modélisation des milieux continus et discontinus. Nous présentons d'abord les résultats des modélisations de rupture dynamique avec génération de fractures secondaires. Ces simulations illustrent les mécanismes de l'endommagement, une diminution de la vitesse de rupture, et les radiations hautes fréquences en champ proche. Le budget énergétique est également modifié en raison des radiations et de la dissipation de l’énergie de fracture lié à l’endommagement.
Nous avons par la suite réalisé des expériences numériques afin de reproduire la rupture dynamique lors du séisme de Kaikōura (magnitude 7.8).
Nous avons pu démontrer qu’en comparant les observations de terrain avec la nature de l’endommagement et les profils de déplacement générés par nos modèles, il est possible de discriminer parmi les différents scénarios potentiels de rupture cosismique.
En conclusion, les travaux réalisés au cours de cette thèse proposent une nouvelle génération de modèles, qui permet l’activation et la génération de systèmes de fractures secondaires en lien avec les séismes sur les failles majeures. Ils démontrent les effets significatifs que peut jouer l’endommagement généré lors des séismes.
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