Soutenance de thèse de LLINARES Maureen
Titre de thèse
Histoire sismique des failles normales dans l'Apennin Central (Italie) à partir de l'inversion de données paléosismologiques (cosmonucléide 36Cl)
Seismic history of normal faults in Central Apennine (Italy) from inversion of paleoseismological dataset (36Cl cosmonuclide)
Résumé de la thèse
Dans la zone d'étude, les Apennins centraux, l'extension NE de ≈ 3 mm/yr et l'héritage structural ont mené à la création de failles normales relativement courtes (10 à 30 km) mais néanmoins proches (>10km) les unes des autres. Des exemples récents (Séquence de Amatrice-Norcia 2016) et des modèles numériques ont montré que ces failles ont le potentiel d'interagir entre elles en produisant des séquences sismiques spatialement et temporellement corrélées. Cependant, elles peuvent aussi être découplées par des barrières structurales capables d'interrompre la propagation de la rupture. Cette thèse a pour objectif d'acquérir des résultats robustes sur l'histoire sismique de plusieurs failles en Apennin central afin d'étudier la synchronicité temporelle entre différents systèmes de faille. Ces études reposent sur la datation d'exhumation successive du plan de faille à partir du 36Cl, un cosmonucléide issue du rayonnement cosmique. Nous avons développé un algorithme d'inversion des données 36Cl permettant de retrouver l'âge des séismes successifs, le déplacement associé et la vitesse de la faille, en contraignant les incertitudes associées. Ce code PyMDS a été développé sur Python afin de le rendre accessible à une large communauté.
Cette thèse s'articule autour de 5 chapitres.
Le chapitre 1 présente l'état de l'art sur les séquences sismiques et la notion d'interaction entre failles, ainsi que les méthodes existantes permettant de contraindre leur histoire sismique.
Le chapitre 2, sous forme d'un article publié, présente la méthode d'inversion développée au cours de cette thèse en montrant que l'utilisation d'un échantillonneur Hamiltonien permet d'inverser des données de 36Cl.
Le chapitre 3, dédié aux futurs utilisateurs, intègre des tests de sensibilité afin d'établir les meilleures pratiques ainsi que les limites d'utilisation du modèle. A partir des données synthétiques, la stratégie d'échantillonnage (échantillonnage systématique à haute résolution vs échantillonnage sélectif espacé ou sous le colluvion) et l'impact de la durée de préexposition, sont étudiés, en fournissant des critères de diagnostic robustes pour guider l'analyse de cas naturels complexes.
Le chapitre 4 se concentre sur le système de faille de Roccapreturo. L'étude des données 36Cl acquises sur 3 sites suggère que la faille de Roccapreturo a rompu au cours de 5 clusters sur les derniers 5 ka. L'activité sismique de la faille de Roccapreturo semble synchrone avec le système de faille de Paganica-San Demetrio plus au nord. Les résultats sont comparés avec des données paleosismologiques indépendantes et sont en très bon accord.
Le chapitre 5 constitue une mise à jour des âges des différents systèmes autour du Fucino. Au total, l'histoire sismique de 10 systèmes de failles (Fiamignano, Campo Felice, Velino-Magnola, Tre Monti, San Sebastiano, Parasano, Trasaco, Bazzano, Roccapreturo et Castel di Ieri) est analysée afin de caractériser les interactions à l'échelle du bassin entre ces différents segments.
Les résultats confirment que les failles des Apennins centraux rompent en alternant des périodes d'intense activité sismique (clusters) et des périodes de quiescence et que certains systèmes de faille ont des périodes d'activité synchrones au cours desquelles leur vitesse de glissement peut augmenter d'un ordre de grandeur. Les potentiels critères d'interaction sont étudiés et discutés afin de mieux contraindre les paramètres qui influent sur une potentielle synchronicité.
Thesis resume
In the study area, the Central Apennines, the NE extension of ≈ 3 mm/yr and the structural inheritance have led to the formation of relatively short normal faults (10 to 30 km) that are nevertheless close to each other (>10 km apart). Recent examples (such as the 2016 Amatrice-Norcia sequence) and numerical models have shown that these faults have the potential to interact, producing spatially and temporally correlated seismic sequences. However, they can also be decoupled by structural barriers capable of interrupting rupture propagation.
This thesis aims to acquire robust results on the seismic history of multiple faults in the Central Apennines to study the temporal synchronicity between different fault systems. These studies rely on the successive exhumation dating of the fault plane using ³⁶Cl, a cosmogenic nuclide produced by cosmic rays. We developed an inversion algorithm for ³⁶Cl data to retrieve the ages of successive earthquakes, their associated displacement, and the fault slip rate, while constraining the associated uncertainties. The PyMDS code was developed in Python to make it accessible to a wide community.
This thesis is structured around 5 chapters:
- Chapter 1 presents the state of the art on seismic sequences and the concept of fault interaction, as well as existing methods for constraining their seismic history.
- Chapter 2, in the form of a published article, introduces the inversion method developed during this thesis, demonstrating that the use of a Hamiltonian sampler allows the inversion of ³⁶Cl data.
- Chapter 3, dedicated to future users, includes sensitivity tests to establish best practices and the limitations of the model. Using synthetic data, the sampling strategy (systematic high-resolution sampling vs. selective spaced sampling or under colluvium) and the impact of pre-exposure duration are studied, providing robust diagnostic criteria to guide the analysis of complex natural cases.
- Chapter 4 focuses on the Roccapreturo fault system. The study of ³⁶Cl data acquired at 3 sites suggests that the Roccapreturo fault ruptured during 5 clusters over the last 5 ka. The seismic activity of the Roccapreturo fault appears synchronous with the Paganica-San Demetrio fault system further north. The results are compared with independent paleoseismological data and show very good agreement.
- Chapter 5 provides an update on the ages of the different systems around the Fucino basin. In total, the seismic history of 10 fault systems (Fiamignano, Campo Felice, Velino-Magnola, Tre Monti, San Sebastiano, Parasano, Trasaco, Bazzano, Roccapreturo, and Castel di Ieri) is analyzed to characterize interactions at the basin scale between these different segments.
The results confirm that the faults in the Central Apennines rupture by alternating periods of intense seismic activity (clusters) and periods of quiescence, and that some fault systems have synchronous activity periods during which their slip rates can increase by an order of magnitude. Potential interaction criteria are studied and discussed to better constrain the parameters that influence possible synchronicity.