Structure of the Northern Sumatra Subduction Megathrust using Seismic Reflection and Refraction data

devant le jury composé de :

Tim J. Henstock .......... (Rapporteur, University of Southampton),
Nicky J. White ........... (Rapporteur, University of Cambridge),
Michel Diament ........... (Examinateur, IPGP),
Jean-Xavier Dessa ........ (Examinateur, UPMC GéoAzur), et
Satish C. Singh .......... (Directeur de Thèse, IPGP)

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Abstract:

Northern Sumatra subduction megathrust is an oblique plate boundary where
the Indo-Australian plate subducts underneath the Eurasia plate in its'
current setting at least since the middle Tertiary time. On 26 December
2004 a massive magnitude Mw 9.3 earthquake struck this plate boundary,
which based on conventional understanding was unexpected. A huge tsunami
ensued as the rupture arrived near the surface causing widespread loss
along the coast lines of south-east Asia. In the wake of the third largest
earthquake recorded in the last 50 years, a set of seismic experiments
were conducted offshore northern Sumatra with the objective of
characterizing the structure and tectonics of this subduction system. The
experiment involved the acquisition of active wide-angle seismic
refraction dataset on 56 ocean bottom seismometers (OBS) deployed along a
~520 km long profile nearly orthogonal to the subduction strike, in the
zone of maximum coseismic slip during the Sumatra-Andaman earthquake. A
coincident deep seismic reflection dataset was acquired along the same
profile using a very long (~12 km) streamer to complement the wide angle
seismic data and to be able to demarcate the structural boundaries more
accurately. In this thesis, I present the results obtained from the
tomographic inversion of the wide angle seismic dataset, and the
coincident seismic reflection image as derived from the deep seismic
reflection data. The combined interpretation of theses results allows me
to image the entire subduction megathrust structure, starting from the
subduction front where a thin (5.0-5.5 km) oceanic crust, about 50-55 My
old, laden by a layer of sediments upto 5.5 km thick, deriving from the
Nicobar fan result in the formation of a large accretionary wedge of about
~170 km lateral extent and maximum thickness of ~22-24 km underneath the
forearc high. The downgoing slab remarkably changes its' dip slope as it
descends beneath the forearc mantle showing a bending-flattening pattern.
A seaward dipping continental backstop is identified underneath the Aceh
forearc basin against which the accretionary wedge continues to evolve.
Further landwards, the subduction structure is marked by the presence of a
thin overlying plate, with continental Moho lying at a depth of ~20 km,
arguably resulting from the stretching of the crust as a result of the
pull-apart mechanism related to the same processes which result in the
opening of the Andaman basin further north. The sub-marine volcanic back
arc is remarkably deep where two deep basins have formed characterizing
the pull apart activity by the segments of dextral Sumatra fault which
stretches along the volcanic arc. Another important finding of this study
is the identification of backthrusting branches at the seaward edge of the
Aceh forearc basin, along which the forearc high continues to uplift, as
evidenced from aftershock studies in the region. These backthrust faults,
interpreated as strike-slip branches in past studies, do explain the
tectonic evolution of forearc islands all along the Sumatra subduction
zone. More importantly the backthrust branches explain the complex source
of the 26 December 2004 tsunami, which it is argued might have resulted
from coseismic rupture not only along the main subduction thrust but also
by a secondary source slipping along the backthrusts, and thus explaining
the early arrival and high amplitude of the run-off wave at the northern
tip of Sumatra.

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Résume:

La subduction au Nord de Sumatra est une subduction oblique où la plaque
Indo-Australienne subducte sous la plaque Eurasienne dans sa configuration
actuelle depuis au moins le milieu de l'ère tertiaire. Le 26 decembre
2004, un grand séisme de magnitude Mw 9.3 non attendu s'est produit. Un
important tsunami a été généré lorsque la rupture est arrivée en surface
causant de nombreuses catastrophes en Asie du Sud Est. A la suite de ce
séisme, le troisième plus important mesuré au cours des derniers 50 ans,
une série de campagnes sismiques ont été réalisées au large des côtes du
Nord de l'île de Sumatra, avec l'objectif de caractériser les structures
et la tectonique de ce système de subduction. L'expérience sismique a
impliqué l'acquisition de données de sismique réfraction grand angle sur
56 OBS déployés le long d'un profil de 560 km perpendiculairement à la
subduction, dans la région où le glissement cosismique était maximum. Un
autre profil coincident a été acquis pour relever des données de sismique
réflexion avec une flûte de 12 km de long. Ces données sont venues
compléter les données de sismique réflexion grand angle. Dans cette thèse,
je présente les résultats obtenus par l'inversion tomographique de
données grand angle, ainsi que l'image de sismique réflexion
correspondante. L'interprétation combinée de ces résultats m'a permis
d'imager la structure complète de la zone de subduction, où une fine
croûte océanique (5-5.5 km), de 50-55 Ma, couverte d'une couche de
sédiments de 5.5 km, résulte en la formation d'un cône d'accrétion de 170
km d'extension latérale avec une profondeur maximum de ~22-24 km. L'angle
de pente de la croûte océanique qui subducte change quand elle descend
sous le manteau avant arc, en montrant une "bending-flattening". Un
"backstop" continental incliné vers l'océan a été identifié sous le bassin
avant arc de Aceh contre lequel le cône d'accrétion continue d'évoluer.
Un peu plus au Nord Est, la structure de subduction est marquée par la
présence d'une fine plaque continentale sus-jacente, le Moho reposant à
une profondeur de 20 km, ceci résultant de l'étirement de la croûte selon
des processus de pull-apart. L'arc volcanique sous-marin, est
remarquablement profond et délimité de part et d'autre par les failles de
Sumatra. Une autre découverte importante est l'identification du
"backthrust" à l'Est du bassin de Aceh, le long duquel le "foreac"
continue de se soulever comme observé dans l'étude après choc. Les failles
de "backthrust" expliquent les modèles tectoniques d'évolution des îles
d'avant arc pour Sumatra. Plus important, ce "backthrust" explique la
source complexe du tsunami du 26 Decembre 2004. En effet la source était
composé d'une source primaire située sur le "main thrust" et d'une source
secondaire sur le "backthrust", ceci pouvant expliquer les arrivées
primaires et la forte amplitude du tsunami au nord de Sumatra.