Situation du projet

Le programme GEODYSSEA, financé par l'Europe, de mesures GPS dans tout le Sud-Est asiatique est officiellement terminé. Ces mesures ont permis d'établir des modèles cinématiques à très grande échelle (Simons et al., 1999, Michel et al., 2001) ainsi que d'explorer plus en détails une zone d'étude particulière : les Célèbes en Indonésie (fig. 1). Cette région qui se trouve au point de convergence de trois grandes plaques tectoniques (Eurasie, Philippines, et Australie) est intensément déformée et fracturée du fait des vitesses relatives très élevées (7 cm/an vers le Nord pour l'Australie et 7 à 9 cm/an vers l'Ouest pour les Philippines). Un certain nombre de micro blocs tectoniques ont pu être identifiés, dont le plus important à l'heure actuelle est le bloc de Sula. Ce bloc d'environ 500 km par 500 km est bordé au Sud-Est par la plaque Australie (chevauchement de Seram), au Nord-Est par la plaque Philippine (subduction des sangihe), et par la plaque Eurasie (en fait le bloc de la Sonde) pour le reste. La bordure Nord est la subduction Minahassa (4 à 5 cm par an) et la bordure Ouest est la faille de Palu-Koro (3 à 4 cm par an), prolongée au Sud par la faille de Matano (1 à 2 cm par an).

Figure 1: contexte tectonique des Célèbes. Le moteur de la tectonique dans la région est l'impact à près de 9 cm/an de la plaque Philipinne dans l'archipel des Célèbes (Sulawesi). En réponse à ce "poinçonnement", les microblocs qui constituent l'archipel des Célèbes (Sula au Nord et Sud-Sulawesi au Sud) tournent sur eux meme et s'échappentvers le Nord et le Sud. Le bloc Sud Sulawesi étant pratiquement en collision continentale avec Borneo (sur le bloc de la Sonde) il ne tourne que "lentement" à 1°/Ma, alors que le gros du raccourcissement est absorbé par la rotation rapide du bloc de Sula à 4°/Ma vers la subduction de la mer des Célèbes (fosse de Minahassa). Le glissement des deux micro-blocs l'un contre l'autre se fait le long d'un système de failles transformantes à près de 4 cm/an : les failles de Palu et Matano. Une série de séismes montre l'interraction entre le subduction Minahassa et la faille de Palu

Durant les 4 ans du programme GEODYSSEA, nous avons développé des collaborations avec différents instituts Indonésiens (BAKOSURTANAL à Cibinong, GRDC et ITB à Bandung principalement), Malais (Directory of Survey and Mapping, Kuala Lumpur) et Européens (DUT en Hollande). Ces collaborations fonctionnent parfaitement bien à l'heure actuelle malgré la situation politique instable de l'Indonésie : des campagnes de mesures ont été réalisées en commun tous les ans, et des données provenant de différents réseaux gérés à priori indépendamment ont été échangées.

Figure 2: La solution la plus récente (données de 1992 à 2002) des vitesses GPS à Sulawesi et autour de la faille de Palu. Les vitesses sont relatives au "bloc de la Sonde" considéré stable. Les vecteurs rouges montrent les déplacements des points situés sur le bloc de "Sula" : rotation horaire à environ 4° par million d'années. Les vecteurs bleus montrent les déplacement du bloc de "Makassar" : rotation anti-horaire à environ 1° par million d'années. Les zooms montrent les vitesses autour des failles de Palu (~ 4 cm/an de décrochement senestre) et de Gorontalo (peu active).

La diversité des types de frontières et l'amplitude des vitesses relatives, le tout sur une zone de relativement petite taille, font de cette zone un objet particulièrement intéressant et "pratique "à étudier.

Pour répondre à ces nouvelles questions qui portent sur la transmission des contraintes, la propagation des déformations et le déclenchement de séismes, nous avons installé :

Les objectifs de ce réseau permanent sont multiples :

• mesurer en continu l'accumulation de déformation élastique sur la faille (Watatu - Toboli) et detecter d'éventuelles variations temporelles de celle ci.

• Verifier (ou infirmer) l'absence de déformation de second ordre dans la bloc Ouest de la faille (Watatu - ParePare)

• mesurer en continu l'accumulation de déformation élastique en arrière de la subduction Minahassa (ToliToli - Toboli) et detecter d'éventuelles variations temporelles de celle ci.

• Quantifier et analyser le transfert de déformation de la subduction à la faille

Résumé des études tectoniques effectuées

Dans le cadre du programme GEODYSSEA, un sous programme a été défini afin d'étudier la tectonique active du système de failles des Célèbes. Cette étude a été menée par l'équipe d'Orsay (M. Sebrier, O. Bellier) Bellier et al., 2001. L'analyse détaillée des images SPOT (18), complétée par les observations tectoniques de terrain et une étude de la sismicité, ont permis de caractériser la déformation active dans la région, qui semble fortement concentré sur la faille de Palu au Nord-Ouest du système. La trace de la faille est très visible et de nombreux marqueurs morphologiques sont décalés de 300 à 400 m : rivières, « shutter ridges », cônes alluviaux. Les datations effectuées au tandetron de Gif sur Yvette (10 Be et 14C ) donnent des ages d'environ 10,000 ans, et donc des vitesses de l'ordre de 30 mm/an, proches des estimations géodesiques. Figure 3. Segmentation de la faille de Palu. La zone de relais de Leboni connecte les failles de Palu et Matano.

Résumé des résultats GPS acquis

Après 10 ans (de 1992 à fin 2001) de mesures GPS sur la faille de Palu-Koro à la latitude de la ville de Palu, il est définitivement établi que la faille est principalement décrochante senestre (environ 40 mm par an) avec une légère composante inverse (4 mm par an) (Walpersdorf et al., 1998a, Walpersdorf et al., 1998b, Walpersdorf et al., 1998c, Stevens et al., 1999, Vigny et al., 2002) . Bien que mal déterminée, la composante verticale est compatible avec une estimation de l'inclinaison du plan de faille de l'ordre de 75 degrés (+/- 10). Les mesures sur les points intermédiaires de la coupe montrent clairement que la faille est bloquée : il n'y a pas de mouvements significatifs dans une bande de plusieurs km autour de la trace de la faille principale. La profondeur de blocage estimée à partir d'un modèle très simple de déformation élastique dans un demi espace infini est de l'ordre de 10-15 km.

La ligne de base entre les deux sites extrêmes de la coupe (Watatu et Toboli) est la mieux mesurée depuis le début. Les résultats sur la composante parallèle à la faille de cette ligne sont les suivants (fig. 4) :

• un taux constant de l'ordre de 28 mm par an entre 92 et 95

• un taux « anormal » d'environ 62 mm/an entre 95 et 97

• un taux de nouveau « normal » depuis

Le taux moyen sur 10 ans étant de l'ordre de 35 mm par an. L'augmentation du taux est probablement due au séisme qui a eu lieu le 1^er janvier 1996 (Mw 8) dans la zone de subduction voisine (la fosse Minahassa) près de la ville de Tolitoli. Le champ de déformation induit par ce séisme a été modélisé (modèle de dislocations), et il semble bien que le déplacement co-sismique (environ 2 cm) puis la déformation post-sismique (environ 2cm encore sur un an) qu'il a engendré ait produit un déplacement relatif entre Watatu et Toboli de l'ordre de 4 cm.

Figure 4. évolution avec le temps de la ligne de base entre les points extremes de la coupe (Watatu-Toboli, environ 30 km de part et d'autre de la faille.). Le taux moyen décrochant montre clairement que la faille est active et rapide. Bien mieux, la variabilité dans le temps du taux est largement significative pour la précision du GPS : + 3,5 cm par rapport au taux normal entre mi 95 et fin 97 !

En conséquence, nous interprétons cet accroissement temporaire du taux de déformation de part et d'autre de la faille comme un « chargement » des contraintes sur cette même faille à la latitude de Palu. Ce chargement étant induit par la relaxation des contraintes 100 km au Nord consécutive au séisme en subduction. Un premier séisme de magnitude 6.5 a bel et bien eu lieu sur la partie Nord de la faille de Palu le 22 mai 1998, suivit d'un second plus au Sud le 10 Octobre 1998 ! Induit par le séisme de 1996 ? Eventuellement suivit par d'autres séismes plus au Sud ?

La composante perpendiculaire à la faille montre également un comportement des plus interressant : compressif avant le séisme, legerement normal après le séisme, retour au raccourcissement ensuite. La modélisation en contrainte de Coulomb montre également une tendance à l' »unclamping » qui pourrait avoir favorisé la rupture sur la faille. Les mécanismes physiques à l'origine de tels mouvements restent par contre peu connus et mal compris. En effet, la période transitoire dans la composante perpendiculaire à la faille est décalée dans le temps par rapport à période transitoire de la composante parallèle. La durée de cette période (de 12 à 18 mois) peut etre reliée à la durée nécessaire pour la migration de fluide sur la profondeur de blocage de cette faille (8-10 km) avec des paramètres de diffusions standards. Il est nécessaire de développer les modélisations appliquées à ces mesures pour confirmer ces ordres de grandeurs.

En tout état de cause, l'aspect transitoire dans le temps et l'espace du champ de déformation autour de la faille de Palu nous semble bien établi et particulièrement intéressant à étudier, en particulier sur le thème du couplage entre la faille et la subduction voisine. Il est clair qu'une étude fine des mécanismes mis en cause (durée exacte des cycles post-sismiques, quantification du co-sismique, etc...) nécessite des mesures plus denses, à la fois dans le temps (mesures continues), et dans l'espace (densification et répétition du réseau existant). Le projet consiste donc en deux volets :

• installation, maintenance, et fonctionnement d'un réseau de stations GPS permanentes en champ proche et lointain de la faille de Palu. Le réseau complet devrait permettre de capter d'éventuels mouvements transitoires en champ lointain et proche, de détecter un éventuel glissement asismique sur la faille, et surtout de caractériser le temps nécessaire à la propagation de la déformation depuis la subduction jusqu'à la faille. La modélisation portera sur le transfert de contraintes qui génère cette déformation.

• La réalisation de nouvelles campagnes de mesures annuelles dans la région. Le cadre tectonique et cinématique étant maintenant relativement bien connu, il ne s'agit pas de reproduire à l'infini les memes campagnes de mesures. Nous souhaitons maintenant densifier le réseau de manière importante entre le profil est-ouest qui traverse la faille et la subduction au Nord, de manière à créer un autre profil Nord-Sud, perpendiculaire à la zone de subduction. Ce nouveau profil devrait permettre de caractériser l'accumulation de déformation élastique due au couplage entre les plaques au niveau de la subduction. A terme, nous souhaitons mesurer une véritable "grille" de bornes géodesiques avec une maille très dense de l'ordre de quelques km.

Risque sismique dans la région

La quantification du risque sismique dans la région est de la plus grande importance pour la ville de Palu (capitale de la région). D'après les catalogues existants (CMT, ISC, USGS,...), il n'y a pas eu de séismes de magnitude supérieure à 4.5 sur la faille de Palu depuis au moins 100 ans. Les mesures GPS montrent que la faille est bloquée. De ce fait, le déplacement total accumulé depuis 100 ans au taux minimum de l'ordre de 3 cm/an atteint au moins 3 mètres. Un séisme capable de générer un déplacement de 3 mètres sur un segment de faille de 50 à 100 km de long, aura une magnitude de l'ordre de 7,5 ! Un tel séisme aurait des conséquences désastreuses sur la ville de Palu.

Sept tranchées on étés creusées par l'équipe d'Orsay quelques dizaines de km au Sud de Palu pour tenter d'estimer la sismicité historique. Au moins trois séismes de magnitude voisine de 7 ont été détectés et datés à environ 1000 et 2000 ans respectivement. D'après les taux GPS on aurait pu s'attendre à ce qu'un plus grand nombre de séismes de cette magnitude ait eu lieu dans le passé (un par siècle plutôt qu'un tout les mille ans). Il semble donc necessaire de procéder à d'autres excavations dans d'autres zones de la faille pour tenter de résoudre cette contradiction.

Cette question non résolue, justifie également l'installation de deux nouvelles stations GPS continues en champ proche, non seulement pour capter d'éventuels signaux transitoires, mais également pour contraindre avec la plus grande précision possible un éventuel glissement asismique. Enfin, il est bien évident qu'en cas de séisme majeur sur la faille dans cette région, ces stations permettraient également de mesurer un déplacement co-sismique en continu et en temps réel. En effet, il est possible de calculer assez précisement la position des stations avec un échantillonage temporel de l'ordre de la seconde alors que le séisme peut durer plusieurs minutes.

Plan de Recherche et calendrier

• Eté/Automne 2002 : installation de la station permanente DUT en champ proche de la faille => PALP

• Eté/Automne 2002 : installation de la station permanente ENS en champ proche également => P14P

• Automne 2002 : campagne de mesures sur financement DUT / MAE

• Automne 2003 : campagne de mesures sur financement DUT / ACI "Obs. Terre"

• Automne 2004 : campagne de mesures sur financement DUT / ACI "Obs. Terre"

• En continu :

  - traitement des données des stations permanentes
  - modélisation mécanique
  

Publications

1. Determining the Sula Block kinematics in the triple junction area in Indonesia by GPS
   Walpersdorf A. and C. Vigny.
   Geophysical Journal International, Vol 135, Issue 2, pp351-361, 1998.

2. GPS compared to long-term geologic motion of the North arm of Sulawesi.
   Walpersdorf A., C. Rangin, and C. Vigny.
   Earth and Planetary Science Letter, Vol 159, pp47-55, 1998.

3. Monitoring of the Palu-Koro Fault (Sulawesi) by GPS.
   Walpersdorf A., C. Vigny, C. Subarya, and P. Manurung.
   Geophysical Research Letters, Vol 25, N 13, pp 2313-2316, 1998.

4. Observing Plate motions in S.E. Asia : Geodetic results of the GEODYSSEA project.
   Simmons W., B Ambrosius, R. Noomen, D. Angermann, P. Wilson, M. Becker, E. Reinhart, A. Walpersdorf, and C. Vigny.
   Geophysical Research Letters, Vol 26, N 14, pp 2081-2084, 1999.

5. Rapid rotations about a vertical axis in a collisional setting revealed by the Palu fault, Sulawesi, Indonesia.
   Stevens, C., R. McCaffrey, Y. Bock, J. Genrich, Endang, C. Subarya, S.S.O. Puntodewo, Fauzi, and C. Vigny
   Geophysical Research Letters, Vol 26, N 17, pp 2677-2680, 1999.

6. High slip rate for a low seismicity along the Palu-Koro active fault in central Sulawesi (Indonesia)
   Bellier, O., M. Sébrier, T. Beaudoin, M. Villeneuve, R. Braucher, D. Bourlès, L. Siame, E. Putranto, and I. Pratomo.
   Terra Nova, Vol 13, N° 1, 2001

7. Crustal motion and block behavior in SE-Asia from GPS measurements.
   Michel, G., Y. Yu, S. Zhu, C. Reigber, M. Becker, E. Reinhart, W. Simons, B. Ambrosius, C. Vigny, N. Chamot-Rooke, X. LePichon, P. Morgan, S. Matheussen.
   Earth and Physics Science letters, 187, pp 289-244, 2001.

8. Migration of seismicity and earthquake interactions monitored by GPS in S.E. Asia triple Junction : Sulawesi, Indonesia.
   Vigny, C., H. Perfettini, A. Walpersdorf, A. Lemoine, W. Simons, D. Van Looon, B. Ambrosius, C. Stevens, R. McCaffrey, P. Morgan, Y. Bock, C. Subarya, P. Manurung, J. Kahar, H. Abidin, S. Abu.
   Journal of Geophysical Research, 107(B10), 2231, 2002.

9. Microblock rotations and fault coupling in SE Asia triple junction (Sulawesi, Indonesia) from GPS and earthquake slip vector data
   Socquet, A., W. Simons, C. Vigny, R. McCaffrey, B. Ambrosius, W. Spakman, C. Subarya and D. Sarsito
   J. Geophys. Res., 111, B08409, doi:10.1029/2005JB003963, 2006.
   

10. A decade of GPS in SE Asia: Resolving Sundaland Motion and Boundaries
    Simons, W., A. Socquet, C. Vigny, B. Ambrosius, S. Haji Abu, Chaiwat Promthong, C. Subarya, D.A. Sarsito, S. Matheussen, P. Morgan, and W. Spakman
    J. Geophys. Res., 112, B06420, doi:10.1029/2005JB003868R, 2007.