Projet Etude de la Subduction Chilienne

Depuis plusieurs années nous étudions le processus du cycle sismique au long de la subduction Chilienne. Ce chantier réunit plusieurs laboratoires de recherche en Sciences de la Terre en France et au Chili : Géologie ENS, sismologie et tectonique IPGP, Départements de Géophysique (DGF) et Géologie (DG) de l'Université du Chili à Santiago (U-Chile). Il s'appuie sur des financements récurrents des laboratoires participants et des financements sur projets (ANR en France, FONDECYT au Chili). Cette coopération a donné lieu à la création d'un laboratoire international associé entre le CNRS et l'Université du Chili: le LIA "Montessus de Ballore".

documents divers (cartes, rapports, activités, publications, abstracts....)

La tectonique des plaques en Amérique du Sud. Les flèches montrent la vitesse de convergence de la plaque Nazca par rapport à la plaque Amérique du Sud, telle que déterminée par la géodésie spatiale (GPS). la courbe jaune/rouge montre la subduction entre les deux plaques le long des côtes du Chili, du Pérou, et de l'Equateur. La bande brune en arrière de la subduction, bordée par le trait en tireté noir montre la zone de déformation de la plaque Amérique du Sud.

Les grands séismes de la subduction Nazca / Amérique du Sud le long des cotes du Chili et du Pérou. Les cercles rouges montrent les épicentres des grands séismes (Mw >= 8) qui se sont produits depuis 50 ans, les petits cercles jaunes montrent les répliques de ces grands séismes. Les ovalles blancs qui les entourent soulignent donc la taille de la rupture de la subduction occasionnée par le séisme correspondant. Il est à noter que les épicentres sont souvent au Nord de la zone de rupture, ce qui indique une propagation de la rupture du Nord vers le Sud, mais pas toujours: le séisme de Valparaiso de 1985 semble s'être propagé dans l'autre sens... Les zones entourées en rouge montrent les lacunes sismiques, zones dans lesquelles aucun gros séisme ne s'est produit depuis assez longtemps.

Introduction

A cause de la convergence très rapide (7 cm/an) de la plaque Nazca qui subducte sous la plaque Amérique, le Chili est une zone d'activité sismique intense. Un séisme majeur (Mw > 8) a lieu tous les dix ans en moyenne le long de la cote chilienne et la plupart des segments de faille dans la région ont produit un séisme de magnitude 8 lors du 20eme siècle. Le long de la cote chilienne l'interface de subduction est fragmentée en zones élémentaires de l'ordre de 100 à 200 km de long et de 50 à 100 km de large, susceptibles de produire des grands séismes lors de la relaxation des contraintes accumulées. La plupart des seismes majeurs correspondent à des glissements "en faille inverse" sur l'interface de subduction dans la zone qui est habituellement bloquée lors de la période intersismique.

Il est possible de capturer et étudier en détail un de ces séismes qui ne devrait pas manquer de se produire très prochainement. Nous proposons d'étudier en temps semi-réel la déformation qui précède l'un des grands futurs séismes du Chili, en suivant la déformation avec des stations GPS permanentes. Ces données seront intégrées avec les données sismologiques des modèles complets des séismes de subduction. A partir d'études précédentes nous avons identifié trois lacunes sismiques au Nord et au Centre/Sud du Chili qui nous semblent être proche de la rupture. Dans deux de ces lacunes il n'y a pas eu de tremblement de terre majeur depuis 130 ans. Ces lacunes nous offrent l'opportunité de comprendre les processus mécaniques qui se produisent lors de la maturation et de l'initiation des grands tremblements de terre de subduction. Notre but étant d'étudier les processus sismiques et asismiques durant le cycle sismique. Pour ce faire, nous commençons donc à instrumenter ces lacunes avec des GPS permanent, des stations sismologiques large-bande et un inclinomètre longue-base. En parallèle, nous utilisons l'interférométrie radar pour étudier la déformation sur les 10 ans passés, nous étudions les variations temporelles de la sismicité, et nous entreprenons une étude des grands séismes archéologiques de la région (forages des dépots tsunamigéniques par exemple). Ce vaste projet est financé par l'ANR et l'INSU et fait l'objet d'une coopération nationale (avec l'IPG-Paris) et internationale avec l'université du Chili à Santiago et le GFZ-Potsdam en Allemagne.

En ce qui concerne le volet géodésique du projet, nous proposons de cartographier la distribution spatiale de la déformation de surface le long de la côte du Chili en combinant le GPS continu et l'interférométrie radar (INSAR et SCANSAR). Le développement de réseaux GPS permanents combinés aux calculs d'interférogrammes radar permettra d'obtenir des données cruciales pour identifier spatialement et temporellement les processus de déformation transitoire. Pour le radar, nous utiliserons les données ERS et ENVISAT disponibles et programmées dont nous pouvons bénéficier dans le cadre de projets Category 1 de l'ESA (European Space Agency, projects A03-362 et AO720). Les stations sismologiques large-bande sont destinées à l'étude du tremor sur la subduction. L'inclinomètre longue base est destiné à fournir des enregistrement dans une gamme de fréquence intermédiaire entre les stations sismologiques et le GPS, avec une sensibilité extrème de l'ordre du nano radian (il detecte la variation d'angle qui correspond à un mouvement vertical de 1mm à 1000 km de distance)

Le Chili est une zone d'étude "privilégiée" por la géodésie:

Le taux de déformation important (7cm/an de convergence relative Nazca-Amérique du Sud) produit des déformations significatives qui peuvent être mesurés par les deux techniques de mesure, durant toutes les phases du cycle sismique.
Le radar nous fourni une résolution spatiale essentielle pour identifier des subtiles zones de déformation. Grâce au climat désertique des zones étudiées, il est possible de calculer des interférogrammes cohérents sur des périodes supérieure à 5 ans. La géométrie de l'acquisition est optimale pour détecter les déformations.
Le GPS permanent nous procure la résolution temporelle et permet de corriger finement les erreurs orbitales et de rattacher les mesures à un système de référence absolu. On obtient ainsi des cartes de déformation en 4 dimensions. Par ailleurs, les corrections des perturbations troposphériques qui sont finement évaluées par le GPS peuvent etre injectées dans les calculs INSAR, ou encore assimilées dans des modèles météorologiques.
L'inclinométrie permet de réaliser des mesures d'une extrème sensibilité (1 nano-radian) dans une gamme de fréquence intermédiaire (typiquement 1 Hz) entre les sismographes et les GPS continus.

Nos objectifs à moyen-terme sont les suivants:

La lacune du Nord Chili (le coude d'Arica) est maintenant encadrée par 3 séismes importants qui se sont produit à ses limites: les séismes de subduction d'Antofagasta (M=8.1, 1995) et d'Arequipa (Sud Pérou) (M=8.4, 2001), respectivement au sud et au nord de la lacune, et le séisme de Tarapaca de 2005 (M=7.7) à profondeur intermédiaire dans la plaque plongeante. Ce type de séisme est considéré comme un précurseur des gros séismes de subduction. Tout récemment (en novembre 2007) un séisme de magnitude 7.7 vient de se produire à l'intérieur de cette lacune, à son extrémité Sud (Tocopilla). Nous nous concentrerons donc plus particulièrement sur l'étude de ce tremblement de terre et le suivi des déformations post-sismiques.
la lacune d'Arica-Iqqique
Le segment central-Nord (région de Coquimbo) est le lieu d'une activité sismique anormale depuis 1997, où s'est produit un séisme de profondeur intermédiaire (Punitaqui, 1997). Le déclenchement de ces séismes par simple transfert de contrainte parait mécaniquement impossible et on peut raisonnablement proposer que cette sismicité se déclenche par des épisodes de glissement transitoires sur le plan de subduction. L'installation d'un réseau dense de GPS permanents (14 à ce jour) permettra de suivre ces déformations. Ce réseau de stations permanentes est complété par des remesures régulières d'un réseau de bornes géodesiques à maille encore plus fine (près de 50 bornes à ce jour).
la lacune de Coquimbo-Illapel
Ce que nous écrivions en 2005, 5 ans avant le séisme géant de Maule du 27-Février 2010 : La lacune du centre-Sud (Concepcion) ne montre pour l'instant pas de signe évident de préparation à la rupture. Néanmoins, en 170 ans et à 7 cm/an, près de 12 m de déformation on été accumulés. Par ailleurs, cette lacune est encadrée au Sud par le séisme géant de 1960 et au Nord par le séisme de Valparaiso (1985). Il parait donc nécessaire d'instrumenter ce segment de la subduction afin de détecter d'éventuels signaux préparatoire, ou de constater qu'ils ne se produisent pas forcement, le cas échéant.
la lacune de Concepcion-Constitucion

En ce qui concerne le GPS, nous pensons qu'il est nécessaire de déployer environ 15 stations par lacune. En effet, le réseau "minimum" comprend des profils de stations établies perpendiculairement à la subduction, avec à chaque fois 3 points : Un à la cote (au plus près possible de la faille), un en vallée centrale (à l'aplomb du bout du plan bloqué), et enfin un dernier dans la cordillère (pour établir une "référence" la moins déformée possible). Par ailleurs, sur une lacune de 200 à 300 km de long, 5 profils sont nécessaires pour caractériser la déformation à l'intérieur de la lacune, près de ses extrémités et en dehors (par exemple, pour contraindre l'extrémité de la rupture en cas de séisme). Un autre raisonnement: une maille de l'ordre de 30 à 50 km, qui correspond à la longueur d'onde probable des phénomènes recherchés, donne le même ordre de grandeur (15 étant alors une borne inférieure).

Interventions en cours
Documents divers du projet (cartes, rapports, publications, proposals,...)

Cartes
tables de stations
1. tables des stations cGPS des différents Instituts et des différentes zones du Chili
  Chili-central (de Concepcion à Vallenar) et Nord-Chili (de Arica à Antofagasta)
Rapports internes
1. Rapport07IPOC Rapport sur l'installation d'instrumentation géophysique dans la lacune du Nord Chili. [Sophie Peyrat, courant 2007].
2. Rapport_cGPS_IV Rapport sur l'installation de stations GPS permanentes dans la lacune du Coquimbo. [Christophe Vigny, période 2006-2007].
3. GPS: Intervention séisme Tocopilla 1 Rapport sur l'installation de stations GPS permanentes et semi-permanentes pour la crise sismique de Tocopilla. [Anne Socquet, Nov-Dec. 2007].
4. Rapport_cGPS_IV_CB1 Rapport sur la maintenance des stations GPS permanentes dans la lacune du Coquimbo. [Carolina Valderas-Bermejo, février 2008].
5. Crise sismo-tectonique et Tsunami d'Aysen (Sud Chili), du 21 Avril 2007 Rapport sur l'intervention dans le cadre de la crise sismotectonique du Fjord d'Aysen.[Christophe Vigny, Juin 2007].
6. CR-missionsGPSavrmai2008.pdf Rapport sur la campagne de mesures GPS dans la région du Coquimbo [Christophe Vigny, avril/mai 2008].
7. CR-mission_Tocopilla_Chaiten_mai08.pdf Rapport sur la maintenance des stations GPS/sismo Nord Chili et Tocopilla et intervention sur la crise du volcan Chaiten [Alexandre Nercessian & Sophie Peyrat, mai 2008].
8. GPS: Intervention séisme Tocopilla 2 Rapport sur la remesure du réseau GPS de répétition de la région Antofagasta/Iquique pour le post-sismique de Tocopilla [Daniel Carrizo & Christophe Vigny, Juin 2008].
9. Profils topo pour transmissions radio Etude de faisabilité des transmissions radio pour les stations cGPS[Arthur Delorme, Octobre 2008].
10. Inclinomètre longue base d'Iquique (Nord Chili) Rapport sur l'installation et la première année de mesure de l'inclinomètre LBT[Frédéric Boudin & Pascal Bernard, période 2007-2008].
11. rapport-GPS-cellule-post-sismique-300310.pdf Rapport d'activités GPS suite à l'intervention post-sismique sur le séisme du 27 février 2010[Christophe Vigny, Mars 2010].
12. Rapport_cGPS_VII.pdf Rapport sur l'installation et le durcissement des stations cGPS post-sismique de la 7eme région[Jean-Claude Ruegg & Arthur Delorme, Avril 2010].
13. rapport_cGPS_nord_2010.pdf Rapport sur la maintenance des stations cGPS du Nord Chili [Arthur Delorme& Eduardo Moreira Juin 2010].
14. CR-missionsGPSmaijun2010.pdf Rapport sur l'extension du réseau de bornes GPS Christophe Vigny & Anne Socquet & Marianne Métois, Juin-Juillet 2010].
15. CR-missionsGPSavril2012.pdf Rapport sur la remesure des réseaux GPS grand nordMarianne Métois, Avril 2012].
Publications
1. Tarapaca intermediate depth earthquake (Mw7.7, 2005, northern Chile): a slab pull event with horizontal fault plane constrained from seismologic and geodetic observations
  Peyrat, S., J. Campos, J.B. DeChabalier, A. Perez, S. Bonvallot, M.P. Bouin, D. Legrand, A. Nercessian, O. Charade, G. Patau, E. Clévédé, E. Kausel, P. Bernard, J.P. Vilotte
  Geophys. Res. Let., V33, DOI 10.1029/2006GL027710, 2006.
  PDF re-print
2. Site effect evaluation in the basin of Santiago de Chile using ambient noise measurements
  Bonnefoy-Claudet, S., S. Baize, L.F. Bonilla, C. Berge-Thierry, C. Pasten, J. Campos, P. Volant and R. Verdugo
  Geophys. J. Int. DOI 10.1111/J.1365-246X.2008.04020.x, 20008.
  PDF re-print
3. Upper plate deformation measured by GPS in the Coquimbo gap, Chile
  Vigny, C., A. Rudloff, J.C. Ruegg, R. Madariaga, J. Campos, M. Alvarez
  PEPI, Vol 175, issue 1-2, June, 10.1016/j.pepi.2008.02.013, 2009.
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4. Interseismic strain accumulation measured by GPS in the seismic gap between Constitucion and Concepcion in Chile
  Ruegg, J.C., A. Rudloff, C. Vigny, R. MAdariaga, J.B. DeChabalier, J. Campos, E. Kausel, S. Barrientos, D. Dimitrov
  PEPI, Vol 175, issue 1-2, June, 10.1016/j.pepi.2008.02.015, 2009.
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5. Asperities and barriers on the seismogenic zone in North Chile: State of the art after the 2007 Mw 7.7 Tocopilla earthquake inferred by GPS and InSAR data.
  Béjar-Pizarro, M., D. Carrizo, A. Socquet, R. Armijo, S. Barrientos, F. Bondoux, S. Bonvalot, J. Campos, D.Comte, J.B. de Chabalier, O. Charade, A. Delorme, G. Gabalda, J. Galetzka, J. Genrich, A. Nercessian1, M. Olcay, F. Ortega, I. Ortega, D. Remy, J.C. Ruegg, M. Simons, C.Valderas, and C. Vigny
  Geophys, J. Int., 2010, submitted
6. Investigation of early warning parameters used for the 7.8 Tocopilla(Chile) earthquake, and its aftershocks
  Lancieri, M. Fuenzalida, A. Sergio R. and Madariaga, R.
  BSSA, 2010, submitted
7. Kinematic rupture process of the 2007 Tocopilla earthquake and its main aftershocks from teleseismc and strong motion data
  Peyrat, S.; Madariaga, R.; Buforn, E.; Campos, J.; Asch, G. & Vilotte, J.
  Geophys. J. Int., 2010, Submitted
8. Central Chile finally breaks
  Madariaga, R., M. Métois, C. Vigny and J. Campos
  Science, 9 April 2010, Vol. 328. no. 5975, pp. 181 - 182, DOI: 10.1126/science.11891972010, 2010.
  PDF file
Communications en congrès
1. The Mw=7.7 Tocopilla Earthquake (North Chile) of November 14, 2007: First results from space geodesy (InSAR).
  Béjar-Pizarro, M., A. Socquet, R. Armijo, J.B. de Chabalier.
  VII Congreso Geológico de España, 2008.
2. The Mw 7.7 Tocopilla, Chile, Earthquake of 14 November 2007: A Comprehensive Study Using Teleseismic, Local and InSAR data
  Campos, J., S. Peyrat, M. Bejar, A. Socquet, G. Meneses, A. Perez, R. Madariaga, P. Favreau, P. Bernard, S. Barrientos, R. Armijo, G. Asch, M. Sobesiak, and J.-P. Vilotte
  Eos Trans. AGU, 89(23), Jt. Assem. Suppl., Abstract S24A-01, may 2008
3. Rupture Geometry and Slip Associated With the 2007 November 14 Mw = 7.7 Tocopilla (Chile) Earthquake, as Preliminary Determined by InSAR and GPS Observations
  Béjar-Pizarro, M., D. Carrizo, A. Socquet, R. Armijo, J.-B. DeChabalier, A. Nercessian, O. Charade, J.-C. Ruegg, S. Barrientos, and J. Campos
  Eos Trans. AGU, 89(23), Jt. Assem. Suppl., Abstract S24-A02, may 2008
4. Detailed source process of the 2007 Tocopilla earthquake.
  Peyrat, S ., R. Madariaga, J. Campos, G. Asch, P. Favreau, P. Bernard, J.-P. Vilotte
  Eos Trans. AGU, 89(23), Jt. Assem. Suppl., Abstract S24-A03, may 2008
5. The M 7.7 Tocopilla earthquake and its aftershock sequence: deployment of a Task Force local network
  Sobiesak, M., S. Eggert, H. Woith, H. Grosser, S. Peyrat, J.-P. Vilotte, E. Medina, J.Ruch, T. Walter, P. Victor, S. Barrientos, and G. Gonzales
  Eos Trans. AGU, 89(23), Jt. Assem. Suppl., Abstract S24A-04, may 2008, invited
6. Transient measurement with a silica long base tiltmeter
  Boudin, F., P. Bernard, L. Longuevergne, O. Bour
  Jena, 2008
7. The 2007 November 14 Mw = 7.7 Tocopilla (Chile) Earthquake: preliminary results from InSAR and GPS.
  Béjar-Pizarro, M., D. Carrizo, A. Socquet, R. Armijo, J.C. Ruegg, J.B. de Chabalier, A. Nercessian, O. Charade, S. Bonvalot.
  7th International Symposium on Andean Geodynamics (ISAG);, Nice, France, September 2008
8. Potentiallity of microtremor to evaluate site effects at shallow depths in the deep basin of Santiago de Chile
  Bonnefoy-Claudet, S., F. Leyton, S. Baize, C. Berge-Thierry, L.F. Bonilla and J. Campos.
  14th World conference on Earthquake Engineering, Beijing, China, October 12-17, 2008.
9. The 2007 november 14 Mw=7.7 Tocopilla earthquake: contribution of InSAR and GPS observations in the understanding of Chile-Peru subduction process.
  D. Carrizo, Bejar-Pizarro, M., Socquet, A., Armijo, R., Ruegg, J-C., de Chabalier, J-B., Nercessian, A., Charade, O., Barrientos, S., Campos, J.
  4th Alexander von Humboldt International Conference - The Andes: Challenge for Geosciences, Santiago November 2008.
10. Upper plate deformation is dominated by varying interface coupling in the chilean subduction context
  Vigny, C., A. Socquet, R. Madariaga, J.-C. Ruegg, J. Campos, and S. Barrientos
  Eos trans. AGU, Fall Meeting Suppl., Abstract G33D-03 invited, dec. 2008
11. Accommodation of convergence in North Chile seismic gap : questions raised by 2007 Mw 7.7 Tocopilla earthquake
  Socquet, A., M. Bejar, D. Carrizo, R. Armijo, C. Vigny, J.-C. Ruegg, J.-B. deChabalier, A. Nercessian, O. Charade, M. Simons, and S. Bonvalot
  Eos trans. AGU, Fall Meeting Suppl., Abstract G33D-04, dec. 2008
12. Observation of transient measurement with a silica long base tiltmeter
  Boudin, F., P. Bernard, L. Longuevergne, N. Florsh, J. Chery, M. Olcay, C. Larmat, J. Boy, M. Esnoult, M. Kammenthaler, T. Vincent
  Eos trans. AGU, Fall Meeting Suppl., Abstract S43B-1892, dec. 2008
13. Tsunami modelling and source constraints from regional tide-gages and tilt measurements for the 2008 M=7.5 Tocopilla subduction earthquake
  Hebert, H., F. Boudin,P. Bernard, S. Peyrat, M. Béjar-Pizzaro
  Eos trans. AGU, Fall Meeting Suppl., Abstract OS43D-1338, dec. 2008
14. The Maule Mw 8.8 earthquake monitored by continuous and survey mode GPS
  Vigny, C., A. Socquet, J. Campos, D. Carrizo, J.C. Ruegg, M. Métois, S. Morvan, C. Aranda and the LIA-MdB team
  Eos trans. AGU, Valparaiso Chapman Conference Suppl., Apr. 2010
15. Modelling of the Maule Mw 8.8 earthquake and early afterslip using GPS and INSAR data
  Socquet, A., M. Bejar-Pizzaro, C. Vigny, M.P. Doin, G. Ducret, D. Carrizo, M. Métois, G. Peltzer and the LIA MdB team
  Eos trans. AGU, Valparaiso Chapman Conference Suppl., Apr. 2010
Masters et Thèses
1. Master R. Jolivet 2008 "Etude de la déformation inter-sismique du gap de Coquimbo-Illapel à l'aide de données GPS" Rapport de stage de M2 de R. Jolivet, sous la direction de C. Vigny, R. Cattin et R. Madariaga .
2. Master A. Fuenzalida 2009 "Etude des répliques du séisme de Tocopilla", rapport de stage de M2 de A. Fuenzalida sous la direction de R. Madariaga .
3. Master M. Métois 2009 "Quantification du couplage au long de la subduction Chilienne" Rapport de stage de M2 de M. Métois, sous la direction de C. Vigny et A. Socquet .
4. Master C. Meyer 2012 "Motogrammes de stations GPS haute fréquence au cours du séisme Mw 8.8 de Maule du 27 Février 2010 au Chili" Rapport de stage de M2 de C. Meyer, sous la direction de C. Vigny et R. Madariaga .
5. Master E. Kiraly 2012 "Broadband interferometry imaging of the rupture complexity of the Mw 8.8 2010, Maule and of the Mw 8.6 2012, Sumatra earthquakes" Rapport de stage de M2 de E. Kiraly, sous la direction de C. Satriano, J.-P. Vilotte et P. Bernard .
6. Annexe de la Thèse de Marianne Métois - 2012 "données GPS du Chili 1996 - 2012" .
Proposals
1. SUB-CHILI1 : ANR Catastrophes Telluriques 2005 - approuvé pour 230 kE
2. SUB-CHILI2 : ANR Catastrophes Telluriques 2006 - approuvé pour 230 kE
3. DEF-CHILI : FONDECYT 2008 - rejeté
4. PEPS-CHILE1 : ANR Internationale 2009 - rejeté
5. KIDSNAP : ANR Blanc SIMI6 2010 - rejeté
6. PEPS-CHILE2 : ANR Internationale 2010 - rejeté
7. MEGA-CHILE1 : ANR Blanc SIMI6 2011 - rejeté
8. ECOS-CHILE : ECOS Sud 2011 - rejeté
9. MEGA-CHILE2 : ANR Blanc SIMI6 2012 - approuvé pour 220 kE