Catalogues de sismicité et potentiel sismique dans les études d'aléa

Présentation de Céline Beauval (ISTerre) au 2nd workshop Résif "Aléa sismique & Shakemaps" l 29 - 31 janvier 2018, Montpellier

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1. Catalogues de sismicité et potentiel sismique dans les études d’aléa Céline Beauval ISTerre
2. Catalogue de séismes pour l’aléa 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Time (years) 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Mw Mw ISC-GEM catalog Mw(GCMT) ISC-GEM catalog Mw(GCMT) GCMT catalog Mw(GCMT) ISC Bulletin Construire un catalogue couvrant la période la plus longue possible (représentativité) À partir de catalogues globaux Beauval, Marinière et al. 2018 (ANR REMAKE) Equateur – XXème siècle (+ 14 séismes historiques à partir du XVIème siècle ) France, plusieurs siècles Catalogue FCAT Manchuel et al. 2017; Cara et al. 2015
3. Catalogue pour l’aléa: un assemblage de catalogues 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Time (years) 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Mw Mw ISC-GEM catalog Mw(GCMT) ISC-GEM catalog Mw(GCMT) GCMT catalog Mw(GCMT) ISC Bulletin •  Assembler des catalogues couvrant des périodes et intervalles en magnitude différents •  Pour chaque séisme, identifier les solutions fiables (localisations & magnitudes) et sélectionner la solution la meilleure À partir de catalogues globaux Beauval, Marinière et al. 2018 (ANR REMAKE)
4. •  Une unique magnitude Mw pour tous les séismes •  Conversion en magnitude nécessaire Lolli et al. 2014 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Time (years) 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Mw Mw ISC-GEM catalog Mw(GCMT) ISC-GEM catalog Mw(GCMT) GCMT catalog Mw(GCMT) ISC Bulletin mb è Mw Catalogue pour l’aléa: un assemblage de catalogues À partir de catalogues globaux Beauval, Marinière et al. 2018 (ANR REMAKE)
5. Un catalogue représentatif de la sismicité long terme, declustering nécessaire •  Très utilisée : technique simple avec fenêtre spatiale et temporelle (Gardner & Knopoff 1974); •  Assez peu d’attention apportée à cet aspect pour les catalogues pour l’aléa, selon la méthode utilisée la proportion de séismes identifiés comme évènements indépendants dans le catalogue va varier Fenêtre temporelle Fenêtre spatiale Δt R Δt et R dépendent de la magnitude du mainshock von Stiphout et al. (2011)
6. Récurrence des séismes 50 ans 90 ans 110 ans b=0.9 Echelle du territoire (Equateur) catalogue récurrence ANR REMAKE
7. Un catalogue représentatif de la sismicité long terme, declustering nécessaire 30 ans de sismicité en Californie M≥3.5 von Stiphout et al. (2011) D’autres méthodes de declustering existent, reposant sur des concepts différents de ce qu’est un mainshock (Zhuang et al. 2002; Marsan & Lengline 2008, …). Impact d’autant plus important sur la proportion d’aftershocks que le catalogue descend bas en magnitude Catalogue original Reasenberg 1985 Gardner & Knopoff 1974 Zhuang et al. 2002 (stochastique)
8. Impact particulièrement fort dans les régions à sismicité modérée, comme la France: catalogue FCAT, sur la période instrumentale 120 des ~38000 séismes ont une magnitude Mw ≥ 3.4 Un catalogue représentatif de la sismicité long terme, declustering nécessaire Manchuel et al. 2017; Cara et al. 2015 AD463 - 2009 SiHex Mw≥3: 400 - 500 Mw≥2: 5000 - 11000 mainshocks
9. Déterminer la complétude d’un catalogue •  méthodes utilisées principalement pour l’aléa : reposent sur les occurrence de séismes, font l’hypothèse de stationnarité dans le temps •  Une technique applicable sur la période instrumentale a été proposée par Schorlemmer and Woessner 2008, elle repose sur la capacité de détection du réseau, pas d’hypothèse sur les modèles d’occurrence (plus objectif) Nanjo et al. 2010 Applicable sur le catalogue SiHex 1962-2009 ? Nord Italie (réseau OGS) Suisse Gentili et al. 2011
10. Potentiel sismique Où les séismes peuvent se produire dans le future Et avec quelles fréquences/ quelles probabilités d’occurrence Les modèles proposés vont dépendre du niveau de connaissance de la région et de son niveau d’activité sismique France, sismicité faible à modérée, caractérisation des failles actives très limitée Baize et al. 2014 Californie: réseau de failles Field et al. 2015 Données utilisées : sismicité instrumentale & historique, paléosismicité, slip rate géologiques
11. Potentiel sismique Où les séismes peuvent se produire dans le future Et avec quelles fréquences/ quelles probabilités d’occurrence Les modèles proposés vont dépendre du niveau de connaissance de la région et de son niveau d’activité sismique France, sismicité faible à modérée, caractérisation des failles actives très limitée Baize et al. 2014 Equateur : sismicité active, caractérisation des failles actives partielle ANR REMAKE
12. Modèles de récurrence des séismes dans une zone source •  Zones assez grandes pour inclure des données en quantité, avec la contrainte que la sismicité y sera distribuée de façon homogène •  Hypothèse : la récurrence établie sur les séismes passés est représentative de ce qui peut se passer dans la zone, modèle utilisé pour la sismicité future Log(λ) M Catalogue de séismes Mmax
13. Modèles de récurrence des séismes dans une zone source Log(λ) M Mmax Instrumental, qqs dizaines d’années Historique, qqs siècles Catalogue de séismes •  Zones assez grandes pour inclure des données en quantité, avec la contrainte que la sismicité y sera distribuée de façon homogène •  Hypothèse : la récurrence établie sur les séismes passés est représentative de ce qui peut se passer dans la zone, modèle utilisé pour la sismicité future
14. Modèles de récurrence des séismes dans une zone source Log(λ) M Mmax Instrumental, qqs dizaines d’années Historique, qqs siècles Catalogue de séismes •  Zones assez grandes pour inclure des données en quantité, avec la contrainte que la sismicité y sera distribuée de façon homogène •  Hypothèse : la récurrence établie sur les séismes passés est représentative de ce qui peut se passer dans la zone, modèle utilisé pour la sismicité future
15. Modèles de récurrence des séismes dans une zone source Log(λ) M Mmax Instrumental Historique M Mmax Dans les sources où peu de données, il peut s’avérer difficile de modéliser la récurrence et d’obtenir une b-value fiable Pas de décroissance linéaire Problème dans une des étapes ? Détermination des M historiques, conversion de magnitude, declustering, complétude ? Récurrence qui repose sur la période instrumentale, extrapolation importante jusqu’à la Mmax Nombreuses méthodes pour tenir compte des incertitudes et les quantifier, mais critère d’expert important
16. Modèle « smoothed seismicity » •  Grille de taux de sismicité (par ex 0.1° x 0.1°), lissés spatialement, associés à un b régional (~1) •  Hypothèse : future large earthquakes are more likely to nucleate near previous earthquakes •  Tous les tests de forecast sur des fenêtres futures de 1 à 10 ans ont identifié ces modèles comme les plus performants (CSEP testing centers) + les qqs failles caractérisées Petersen et al. (2014) Central and East US Smoothing: Helmstetter et al. (2007)
17. Modéliser la récurrence à partir de mesures de déformation Estimation de l’activité des zones sources à partir d’autres types de données, par ex strain rate basés sur le GPS, Mazzotti et al. (2011) Canada •  Hypothèses sur la composante asismique de la déformation •  b-value calculée sur le catalogue de sismicité GPS catalogue Taux annuel ≥ML Magnitude ML
18. Chingual Latacunga Quito El Angel Napo Puna Pallatanga Cosanga SOAM NAS INCA Modèles de récurrence des séismes dans une zone source Récurrences mal contraintes à partir de la sismicité passée Exploitation des slip rates moyens sur les grandes structures tectoniques, issus d’études tectoniques ou de modèles géodésiques Faille Slip rate S ! M O = µSA b-value ANR REMAKE C. Beauval, J. Marinière, JM Nocquet, H. Yepes, L. Audin, A. Alvarado, S. Baize, H. Jomard et al. 2018 M Log(λ) Mmax
19. Log(λ) M b-value Mmax Mmax du modèle de récurrence des séismes Déterminer la magnitude maximale possible Mmax pour chaque zone source
20. Log(λ) M b-value Mmax Mmax du modèle de récurrence des séismes Déterminer une Mmax pour chaque zone source •  Evaluer Mmax en prenant en compte la sismicité passée ? •  Durée d’observation des catalogues de sismicité en général trop courte par rapport aux temps de récurrence des séismes de magnitudes proches de la Mmax (~ à atténuer si données de paléosismicité couvrant une longue fenêtre temporelle) •  Mmax doit être ≥ magnitude maximale observée dans le catalogue de sismicité
21. •  Utiliser des lois d’échelle pour estimer la magnitude à partir des longueurs maximales des segments de failles pouvant rompre, identifiés par la tectonique active Log(λ) M b-value Mmax Mmax du modèle de récurrence des séismes Déterminer une Mmax pour chaque zone source •  Evaluer Mmax en prenant en compte la sismicité passée ? •  Durée d’observation des catalogues de sismicité en général trop courte par rapport aux temps de récurrence des séismes de magnitudes proches de la Mmax (~ à atténuer si données de paléosismicité couvrant une longue fenêtre temporelle) •  Mmax doit être ≥ magnitude maximale observée dans le catalogue de sismicité
22. Mmax du modèle de récurrence des séismes Mmax & son temps de récurrence contrainte par les fréquences de séismes basées sur l’instrumental et un taux de moment sismique estimé par la géodésie Exemple sur une grande structure tectonique (Main Himalayan Thrust) Comment conjuguer la sismicité observée avec les mesures de déformation pour tenter de proposer un modèle de récurrence long-terme Raisonnement transposable à une zone source étendue Sismicité instrumentale 20 ans Sismicité long terme prédite Mmax Sismicité historique & paléoséismes Stevens & Avouac 2017 ! M o
23. En résumé •  Catalogue de sismicité (instrumentale, historique, paléoséismes): information essentielle, mais toujours partielle - un échantillon de ce qui peut se passer •  Eclairage de la géologie (longues périodes d’observation) : estimation de slip rates pour les failles •  Eclairage de la géodésie (courtes périodes d’observation): estimation de la déformation à l’échelle régionale (strain rate) ou à l’échelle d’une faille – difficulté pour estimer la composante asismique de cette déformation •  Coupler ces différents éclairages pour proposer différents modèles d’occurrence pour les séismes, et espérer une approximation du système la plus réaliste possible
24. Merci de votre attention