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) _______________________________ 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. _______________________________ 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.