Remote Sensing Observations of Seismotectonics
Observations seismo-tectoniques par télédétection satellitaire
Résumé
In the last 20 years, the knowledge of how the Earth deforms has been completely modified by the introduction of two new space techniques. On the one hand, point positioning not only from GPS (Global Positioning System) but also from other systems such as DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated from Space). On the other hand, we find space-borne imagery and correlation of images both from multi-interferogram SAR (Synthetic Aperture Radar) techniques and high resolution optical imagery. Those new techniques have allowed to provide a number of scientific advances in terms of confirmation and improvement of the theory of plate tectonics, in terms of better mapping of both the seismic/aseismic displacement fields and the deformation distribution pattern at the plate boundaries, in terms of acquiring more data for the understanding of the post-seismic relaxation, in terms of detect the existence of silent earthquakes and detect pre-seismic signals. At present time, several key questions remain unanswered, such as how much deformation is accommodated by earthquakes at the plate boundaries in comparison to the total amount of strain; how much deformation is accommodated by seismic deformation or by silent creep on discontinuities; whether or not it is possible to detect pre-seismic changes before earthquakes and whether we can propose models for the earthquake precursors. Besides, we ask ourselves the question about whether or not we can use repeat-pass optical imagery to measure volcano deformation or vegetation activity on active volcanoes. In the present Ph.D. thesis we tried to investigate the potential, limitations, and complementarities of Earth Observation data in the quest for addressing some of the above scientific questions. We concentrate in a limited number of areas of interest such as Bam (Iran), Parkfield (USA), the Longmen Shan (China), Nyiragongo volcano (DRC) and Piton de La Fournaise volcano. Data processing is mainly based on L-C band Interferometric Synthetic Aperture Radar, subpixel correlation of radar amplitude images and sub-pixel correlation of High Resolution Visible (HRV) satellite images such as Quickbird and Spot-5 data. Our research try to involve the development of innovative approaches to data processing (such as sub-pixel correlation of air-photos and HRV Quickbird images); we focus particularly on the modelling and removal of topographic component to the sub-pixel offset field and we investigate the ionospheric contribution to the interferometric phase on L-Band SAR data. Our work mainly focuses on two domains. On the one hand, we focus on scientific advances in terms of new approach for data processing and methodological developments. On the other hand, we focus on scientific advances in terms of understanding of neotectonic processes: the surface deformation/displacement field, accommodation and strain partitioning during the interseismic and co-seismic phase of the earthquake cycle on major faults at plate boundaries (i. e. San Andreas Fault) or intra-plate (e. g. the Longmen Shan). Part of this work has matured at the Institut de Physique du Globe de Paris, part of it has originated and benefitted from the scientific environment at the Bureau de Recherches Géologiques et Minières (the French Geological Survey) and the stimulating environment at the Ecole Normale Supérieure de Paris. We concentrated our researches in various geodynamic contexts; we start by putting in evidence a possible relation between vegetation activity and fissure eruptions on Nyiragongo and Etna Volcano. Then we analyze inter-eruption volcano deformation at Piton de la Fournaise volcano by using airborne photos. We then focus on strike-slip geodynamic context during the co-seismic phase of the seismic cycle at Bam (Iran) and during the interseismic phase of the seismic cycle at Parkfield (USA). The Sichuan earthquake occurred in a compressional tectonic regime (even though the exhumation mechanism of the Longmen Shan is still under debate). There, we used SAR data to observe that tectonic stress is oblique to the seismogenic faults (that originated on preexisting structures) so that co-seismic strain is partitioned between thrust displacements and strike-slip displacements, part of which is accommodated on a blind structure at depth. Finally, we study the Machaze earthquake (Mozambique) that occurred in an extensional tectonic regime on what is considered as an embryonic structure belonging to the East African Rifting context. Each chapter of this manuscript is a dedicated study (presented in chronological order). Each study represents a paper that has either been published or is under consideration for publication or has been presented at a conference during the thesis work.
Pendant les 20 dernières années, notre connaissance de la déformation de la Terre a été complètement bouleversée par l'introduction de deux techniques de Géodésie spatiale. D'une part, ce que l'on appelle positionnement satellitaire ('point positioning') pas seulement à partir du système GPS (Global Positioning System) mais également à partir du système DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated from Space). D'autre part, ont été développées des techniques d'imagerie satellitaire de corrélation d'images et d'interférométrie SAR (Synthetic Aperture Radar) ainsi que les méthodes de mesures de décalages sur des images panchromatiques à haute résolution spatiale. Ces nouvelles techniques, complémentaires de techniques plus classiques, ont permis une série d'avancées scientifiques notamment la confirmation et l'amélioration de la théorie de la tectonique de plaques, la cartographie fine de déplacements sismiques et asismiques, la cartographie de la distribution de la déformation en marges de plaques, l'amélioration de la compréhension des phénomènes de relaxation post sismiques, la détection de séismes lents et 'silencieux', la détection de signaux précurseurs de séismes ou d'éruptions volcaniques. Actuellement des nombreuses questions clés restent ouvertes. Notamment : - l'importance relative de la déformation accommodée sismiquement en bords de plaques par rapport à la déformation totale et à la contrainte tectonique ; - la contribution des séismes à la déformation par rapport au déplacement asismique sur les discontinuités (failles) ; - la possibilité de proposer des modèles pour les précurseurs des séismes et leur pertinence. Le but de la présente Thèse de Doctorat, est d'étudier le potentiel, les limitations et la complémentarité des données issues de l'Observation de la Terre pour prendre en compte et essayer de répondre à certains aspects des questions exposées ci-dessus. Nous avons concentré notre travail sur un nombre limité de zones telles que Bam (Iran), Parkfield (USA), et le Longmen Shan (China). Les travaux présentés se basent sur le Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO), les techniques de corrélation d'image radar d'amplitude ainsi que les images panchromatiques à haute résolution du type SPOT-5 ou Quickbird. Dans notre recherche, nous avons essayé de développer des approches techniques originales (comme la corrélation d'images aériennes et Quickbird), nous avons étudié en particulier la modélisation et la suppression de la composante topographique (non désirée) des correlogrammes issus de l'imagerie optiques et radar et nous nous sommes également concentrés sur la contribution de la ionosphère au signal radar interférométrique en bande L. Pour résumer, notre travail s'est focalisé sur deux axes ; d'une part, on s'intéresse aux approches techniques originales; de l'autre, nous concentrons nos efforts de recherche sur la compréhension des processus néotectoniques, notamment le champ de déplacement cosismique, la répartition de la déformation pendant la phase intersismique et cosismique du cycle sismique sur failles majeures en bord de plaques (p. e. la faille de San Andreas) ou intra plaque (p. e. le Longmen Shan). Je suis inscrit à l'Ecole Doctorale de l'Université Pierre et Marie Curie de Paris depuis janvier 2009, mais je considère ce manuscrit de Thèse comme le résultat d'un chemin de travail qui a commencé bien avant. Dans ce manuscrit, je vous présente une synthèse des principaux résultats des recherches que j'ai menées depuis 2003. Chaque chapitre de ce manuscrit représente une étude dédiée et ciblée. Chaque étude a fait l'objet d'une publication scientifique ou a été présentée lors d'un congrès international.