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Thèse Année : 2007

Mesures InSAR et modélisation de faibles déformations d'origine anthropique (lac Mead, USA) ou tectonique (faille de Haiyuan, Chine)

Olivier Cavalié
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 917847

Résumé

I used radar interferometry to measure and model the Earth surface deformation of small amplitude ($<$cm). InSAR has proven to be a powerful tool to mapp surface deformation with sub-centimetric accuracy. However, interferograms correction from atmospheric delays is often required to reach such an accuracy. A large part of my work has thus been dedicated to this task. The first study area is the deformation around the Lake Mead (Nevada, USA). This artificial lake has been filled with water in 1935. An earlier study, based on leveling measurements, has shown that the load associated with lake impoundement induced a subsidence of 17 centimeters. This relaxation process has been argued as analogous to the postglacial rebound, but at a smaller spatial scale and with a much lower viscous relaxation time scale. To quantify the deformation and thus constrain the crust and mantle rheological parameters in the lake area, we analyze multiple interferograms (241) based on 43 ERS images acquired between 1992 and 2001. Corrected interferograms are then inverted to solve for the time series of ground motion in the lake Mead area. We obtain a time series of the deformation in the lake Mead area with a millimetric accuracy. The deformation is non linear in time and spreads over a large spatial scale. The deformation model allows to constrain the rheology in the lake Mead area. The model takes into account the loading history of the lake since 1935. We show that a simple elastic response with parameters constrained by seismic wave propagation does not explain the amplitude and spatial wavelength of the observed motion. To fit the data, a low viscosity (around 10$^{18}$ Pa.s) in the mantle below a 30 km thick elastic layer is required. In a second study, I have studied the interseismic displacement across the Haiyuan fault. This fault is one of the major left-lateral faults that accommodates part of the deformation due to India-Asia collision at the north-eastern edge of the Tibetan plateau. Our objective is to better constrain the present mechanical behavior of this fault system, at the origin of two M$\sim$8 earthquakes in 1920 and 1927 and along which a seismic gap with high potential seismic hazard has been identified. We focus on the Tianzhu seismic gap segment, along which the long-term slip rate has been estimated to 12 (+/-)4 mm/yr from neotectonic studies (Lasserre et al., 1999). We analyze ERS SAR data from two tracks along descending orbits between longitudes 102.6$\degres$E and 105.3$\degres$E and latitudes 36$\degres$N and 38$\degres$N. The results between both independent tracks are very consistent. A screw dislocation model in an elastic half space indicates an average fault-parallel velocity of 6.5 $\pm$mm/yr and a very small apparent locking depth of about 1.7 km. Superficial creep or a compliant zone around the fault could also explain this low value.
Cette thèse porte sur la mesure par interférométrie radar (InSAR), et la modéli\-sation de faibles déformations, de moyennes à grandes longueurs d'onde spatiale. L'InSAR s'est révélée être, depuis quelques années, un outil performant pour mesurer de petites déformations, à la condition, notamment, de corriger suffisamment les délais atmosphériques perturbant le signal radar et la mesure de la déformation. Une partie de cette thèse montre des développements méthodologiques spécifiques effectués afin d'obtenir une mesure subcentimétrique effective sur deux chantiers d'application. Les deux études présentées dans ce manuscrit montrent deux approches différentes, liées aux contraintes matérielles (nombre d'images/nombre d'interférogrammes calculables) et au type de déformation recherché. Dans un premier temps, j'ai mesuré la déformation autour du lac Mead (Nevada, USA). Cette déformation est due aux fluctuations du niveau d'eau du lac depuis sa mise en eau en 1935. Pour quantifier cette déformation, et contraindre les paramètres visco-élastiques de la lithosphère dans la région du lac Mead, j'ai analysé 241 interférogrammes calculés avec des images acquises par les satellites ERS entre 1992 et 2002. L'inversion des interférogrammes corrigés des délais orbitaux et tropostatiques a permis d'établir la série temporelle du déplacement du sol sur ces 10 années. Des modèles directs montrent qu'une simple réponse élastique n'explique ni l'amplitude de la déformation, ni la longueur d'onde spatiale de la déformation. Il semble donc qu'il soit nécessaire de prendre en compte la viscosité du manteau pour retrouver la déformation. Un modèle simple, concordant avec une étude précédente \citep{kaufmann00a}, constitué d'une croûte élastique d'environ 30 km et d'un manteau supérieur présentant une viscosité de 10$^{18}$ Pa.s, explique bien les données. Dans un deuxième temps, je me suis intéressé à la déformation intersismique à travers la faille de Haiyuan (Gansu, Chine), située au nord est du plateau tibétain. Il s'agit d'une des failles décrochantes sénestres majeures qui accommode en partie la collision Inde-Asie. L'objectif était de mieux contraindre le comportement mécanique de ce système de faille, à l'origine de deux séismes de M$\sim$8 au cours du XXième siècle. Je me suis focalisé sur un segment particulier de la faille appelé ''la lacune sismique de Tianzhu'', dont la vitesse long-terme à été estimée à 12 $\pm$4 mm/an à partir d'études neotectoniques. J'ai analysé des données radar ERS acquises sur deux orbites descendantes le long de la lacune. Une fois les interférogrammes corrigés de l'erreur résiduelle orbitale et du délai tropostatique, ils ont été sommés afin d'obtenir une carte de vitesse moyenne dans la zone de faille (déterminée par les images ERS disponibles, i.e. 1993-1998). Un modèle classique de dislocation dans un demi-espace élastique homogène indique une vitesse instantanée de 6.5 $\pm$3 mm/an, mais aussi une profondeur de blocage faible autour de 1.7 km. Cependant, ce résultat peut aussi être expliqué par d'autres modèles incluant une zone d'endommagement autour de la faille ou du glissement superficiel.
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Dates et versions

tel-00661442 , version 1 (19-01-2012)

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  • HAL Id : tel-00661442 , version 1

Citer

Olivier Cavalié. Mesures InSAR et modélisation de faibles déformations d'origine anthropique (lac Mead, USA) ou tectonique (faille de Haiyuan, Chine). Géophysique [physics.geo-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00661442⟩
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