Thèse d'Antonio Scala | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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  Thèse d'Antonio Scala

La dynamique de rupture le long des zones de subduction : complexités structurales et géométriques et le cas de tremblement de terre de Tohoku-Oki
Encadrant (et co-encadrant) : 
Gaetano Festa - Department of Physics - University of Naples Federico II
Résumé: 

Mon projet de recherche est basé  sur l'étude de la source sismique par des simulations dynamiques pour étudier comment la géométrie complexe de la faille et des modèles structurels réalistes peuvent influencer une rupture sismique dans les zones de subduction.

Dans ce travail, la méthode des éléments spectraux (MES) pour les applications sismologiques (Komatitsch et Vilotte, 1998) est utilisée: elle combine la flexibilité géométrique de la méthode des éléments finis avec la convergence des méthodes spectrales (Maday et Patera, 1989) permettant d'aborder domaines complexes. La MES permet également un traitement naturel des conditions au bord sismologiques classiques (surface libre) et elle permet une description dynamique de la rupture se propageant le long d'une interface de faille.

Les zones de subduction sont de vastes zones situées aux marges convergentes où une plaque peut descendre au-dessous d’une autre. Ces zones sont responsables des plus grands événements sismiques survenus sur la Terre (par exemple Tohoku 2011). D'un point de vue dynamique, elles sont caractérisées par un couplage particulier entre les perturbations de traction normales et la contrainte de cisaillement essentiellement attribuable à: pente variable le long de la faille, l'interaction avec les ondes stationnaires générées à la surface libre et  l’effet bi-matériel".

L'influence de l'effet bimatériel (i.e. propagation de la rupture le long des interfaces entre deux matériaux différents) est un aspect important pour l'étude des ruptures liées à la fois au problème analytique mal posé quand une loi de friction classique de Coulomb est utilisée et à la fois aux effets de la directivité associés à la cinématique de la source et le rayonnement émis.

Comme le montrent les résultats analytiques (Ranjith et Rice, 2001) l'utilisation d'un mécanisme de relaxation entre la contrainte de cisaillement et la traction normale dans la loi de friction rend le problème bien posé et ce retard, attendus à partir d'expériences de laboratoire (Prakash et Clifton, 1998), suggèrent l'existence d'une échelle de longueur (manquant dans la loi de friction de Coulomb) le long de l'interface. Les régularisations proposées jusqu'à présent, sur la base des échelles de temps dynamiques et / ou constants fournissent des résultats numériques bien posés sans s’occuper des conséquences physiques de la régularisation elle-même.

L'objectif du projet est la caractérisation des paramètres physiques impliqués dans la régularisation afin d'obtenir des solutions fiables ois pour l'accélération (où des solutions analytiques ne sont pas disponibles) et pour la phase stationnaire de la rupture (pour lequel la vitesse asymptotique attendue peut être calculée) et la caractérisation de l'échelle de longueur manquant. En particulier, les études paramétriques menées jusqu'ici montrent une forte dépendance à l'égard de cette longueur sur la zone cohésive où une loi de slip-weakening est utilisée.

L'étude du séisme Tohoku est intéressant en raison de la description cinématique asymétrique obtenue à partir de plusieurs inversions de données sismiques, qui a montré  un grand glissement séismique au trench qui a rayonné à basses fréquences et de plusieurs sources de hautes fréquences dans la partie plus profonde de la zone de subduction. Les mêmes inversions ont révélé que la rupture a été confinée dans une petite bande du plan de faille (long-dip) au cours de la phase initiale, ce qui permet d'effectuer un grand nombre de simulations  dynamiques 2D.

Les plus fiables modèles de dynamique ont montré une rupture bilatérale plus rapide vers le trench comme un effet de propagation bi-matériel; un grand glissement, associé à des signaux à basse fréquence proche du trench comme un effet du couplage entre une faible traction normale et l'interaction avec les ondes stationnaires produites à la surface libre; les signaux à haute fréquence provenant de la partie profonde de la plaque comme un effet de l'accélération de la rupture due à: une inversion du contraste d'impédance, à discontinuités géométriques et à des conditions non homogènes des contraintes initiales mimant les zones où les grande tremblements de terre récents ont été localisés.

Date de soutenance: 
Mardi 31 Mai 2016 - 10:00