Towards a continuous monitoring of small-scale surface displacements with radar interferometry: study of the aseismic behavior along the North Anatolian fault.
Vers un suivi continu des faibles déplacements de surface par interférométrie radar : étude du comportement asismique le long de la faille Nord Anatolienne.
Résumé
The North Anatolian fault, which cuts across the northern part of Turkey from west to east over more than 1000 km, is one of the largest active faults on earth. During the 20th century, almost the entire length of this fault ruptured during the westward propagation of more than a dozen major earthquakes (M7+). If this fault is known for its active seismicity, it exhibits on the other hand an aseismic behavior, especially in its central segment, where it slips continuously at a rate of about 2.5 cm/yr. However, the study of recent geodetic data and creepmeters suggests that aseismic slip is episodic rather than steady in time, where slip on the fault is thought to occur within days to month-long slip episodes (slow slip events), hence calling for a new assessment of the physics of fault slip along this segment.
Thanks to synthetic aperture radar interferometry, we analyze the spatial and temporal variations of interseismic deformation occurring along the central segment of the North Anatolian fault, a 300 km-long section covering the segments that rup- tured during the last M7.3 earthquake in 1944. To do so, we detect and characterize each slow slip event detected along this segment.
First, we develop tools to mitigate sources of noise in InSAR, such as those associated to atmospheric effects and to phase unwrapping. We generate 333 inter- ferograms from SAR data of the ascending track covering the study area, acquired by the Sentinel-1 satellites during the period from 2014 to 2018. We compare the performances of three atmospheric models, HRES, ERA-Interim and ERA-5, and demonstrate that the best atmospheric corrections are performed with ERA-5 mo- del, a reanalysis of meteorological data delivered by ECMWF. Then, we develop an innovative algorithm called CorPhU, which allows us to automatically correct unwrapping errors by considering the phase closure of triplets of interferograms. Thanks to our fast implementation, all these errors are corrected automatically within our entire interferometric network. In addition, we process three ascending tracks acquired by the ALOS satellite during the period from 2007 to 2011, covering the same area, and correct interferograms from ionospheric delays with a split-range spectrum method.
We then use a Small Baseline approach to perform a time series analysis of the interferograms corrected for each of the tracks. All mean line-of-sight (LOS) deformation velocity maps agree with a dextral movement across the fault and show both temporal and lateral variations of the velocity gradient in the fault zone. Aseismic slip mostly concentrates along a 100 km-long section, located near the city of Ismetpasa, and slip velocity decreases over time, from 2 cm/yr between 2007 and 2011, to less than 1 cm/yr from 2014 to 2018.
We then characterize fault slip modes along this section by visual inspection, searching for possible aseismic slip events in the time series. We identify, at least, three slow slip events from Sentinel-1 data. We then characterize these events in terms of lateral extension, duration and amount of displacement. We finally open the discussion on the study of slow slip events relate to the associated seismic hazard.
La faille Nord Anatolienne, qui traverse le nord de la Turquie d’ouest en est sur plus de 1000 km, est l’une des plus grandes failles actives du globe terrestre. La quasi totalité de cette faille a rompu au cours du 20e siècle, via la nucléation et la propagation d’est en ouest de plus d’une dizaine de séismes majeurs (M7+). Si cette faille est connue en raison de sa forte sismicité, elle exhibe d’autre part un comportement asismique, notamment dans sa partie centrale, où elle glisse de façon continue à une vitesse estimée aux alentours de 2.5 cm/an. Toutefois, l’étude de données géodésiques récentes et de creepmeters tend à démontrer que ce glissement asismique n’est pas constant dans le temps mais épisodique, où une partie voire la totalité du glissement sur le plan de faille s’opère grâce à des évènements transitoires (séismes lents), autrement dit à des déplacements de l’ordre du millimètre, d’une durée allant de quelques jours à plusieurs mois. Ces observations viennent alors révoquer le modèle physique pré-établi de cette faille.
Nous analysons par interférométrie radar à synthèse d’ouverture les variations spatiales et temporelles de la déformation intersismique s’opérant au niveau du seg- ment central de la faille Nord Anatolienne, une zone s’étendant sur environ 300 km, couvrant la rupture ayant eu lieu en 1944. Pour cela, nous quantifions chaque séisme lent détecté le long de cette portion de faille, à savoir leur durée (i.e. magnitude) et leur emprise spatiale.
Dans un premier temps, nous réduisons les erreurs associées aux mesures InSAR, notamment celles attribuées aux effets atmosphériques et au processus de déroule- ment de la phase interférométrique. Pour cela, nous calculons 333 interférogrammes à partir des données SAR de la track ascendante couvrant la région d’étude, ac- quises par les satellites Sentinel-1 pendant la période 2014-2018. Nous comparons les performances de trois modèles météorologiques, HRES, ERA-Interim et ERA-5, et démontrons que les meilleures corrections atmosphériques sont apportées par le modèle ERA-5, une réanalyse de données météorologiques délivrée par ECMWF. Ensuite, nous développons un logiciel innovant appelé CorPhU, qui nous permet de corriger automatiquement les erreurs de déroulement en s’intéressant à la fermeture de phase d’un triplet d’interférogrammes. Grâce à ce procédé simple et rapide, nous montrons que la totalité de ces erreurs sont corrigées automatiquement de l’ensemble de notre réseau interférométrique. Par ailleurs, nous traitons trois tracks ascendantes acquises par le satellite ALOS durant la période 2007-2011, couvrant cette même zone, et corrigeons les interférogrammes obtenus des délais ionosphériques grâce à une méthode de "split-range spectrum".
Nous utilisons ensuite une approche dite en “Small Baseline” pour réaliser une analyse en séries temporelles des interférogrammes corrigés pour chacune des tracks. Les cartes de vitesse moyenne de déformation dans la ligne de visée du satellite ainsi obtenues sont en accord avec un mouvement dextre au travers de la faille et montrent à la fois des variations temporelles et des variations latérales du gradient de vitesse dans la zone de faille. En effet, le glissement se localise principalement à une section de la faille de 100 km, située aux environs de la ville d’Ismetpasa, et sa vitesse décroît dans le temps, passant de 2 cm/an entre les années 2007 et 2011, à moins de 1 cm/an de 2014 à 2018.
Ensuite, nous cherchons à caractériser le mode de glissement de cette portion de la faille en recherchant visuellement d’éventuels évènements de glissement asismique dans les séries temporelles. Nous identifions au moins trois séismes lents à partir des données Sentinel-1. Nous caractérisons ces évènements en termes d’extension latérale le long de la faille, de durée et de quantité de déplacement associé. Enfin, nous ouvrons la discussion sur l’étude de ces séismes lents en rapport avec l’aléa sismique associé.
Domaines
Géophysique [physics.geo-ph]
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)