Architecture and scaling of off-fault tectonic damage : insights from exposed fault zones in Western USA

Architecture et lois d'échelle de l'endommagement tectonique associé aux failles : apports de données sur des systèmes de failles dans l'ouest américain Les failles dites sismogènes rompent par intermittence en produisant des séismes de magnitudes diverses. Ces ruptures successives contribuent à la croissance de la faille « mère », qui accommode des déplacements cumulés croissants et s'allonge généralement au cours des temps géologiques. La croissance des failles endommage de façon permanente les roches encaissantes en les fracturant à différents endroits autour de la faille mère. Cette fracturation, dite d'endommagement tectonique, comprend principalement des réseaux de fractures et de failles secondaires de différentes échelles. L'endommagement tectonique altère les propriétés mécaniques des roches encaissantes autour de la faille mère, et il a été montré que ces modifications rhéologiques impactent le comportement de la rupture sismique (accélération de la rupture, amplification du glissement cosismique, etc.). Caractériser l'endommagement tectonique associé aux failles est donc important pour comprendre et modéliser son impact sur la rupture sismique. Ainsi, dans ce travail de thèse, j'ai analysé l'architecture de l'endommagement tectonique autour d'un grand nombre de failles naturelles ayant des longueurs, des déplacements cumulés, des modes de glissement, et un degré de maturité structurale variés. La plupart des systèmes de failles se situent dans l'Ouest américain, et exposent à la surface du sol la trace des failles secondaires et fractures formant leurs zones d'endommagement. J'ai donc analysé ces zones de failles à partir d'images aéro-spatiales optiques et de données topographiques (images satellitaires Pléiades, photogrammétrie par drone ou au sol, données Lidar), et de mesures de terrain. J'ai d'abord cartographié ces zones de failles aux plus hautes résolutions possibles, afin d'identifier l'essentiel des structures macroscopiques impliquées dans les zones d'endommagement. J'ai ensuite mesuré un certain nombre de paramètres définissant ces structures, i.e., longueur, déplacement accumulé, distance et orientation par rapport à la faille mère, etc. La mesure des déplacements s'est avérée complexe et m'a amené à développer un code innovant automatisant la mesure rigoureuse des déplacements verticaux sur les failles « normales » (i.e., extensives). L'application de ce code à de multiples failles de longueurs différentes a confirmé certaines propriétés génériques des distributions de déplacement sur les failles, révélé d'autres propriétés génériques jusqu'alors inconnues (variations latérales du pendage des failles), et permis de développer une nouvelle approche pour mesurer la largeur de la zone d'endommagement interne (inner damage) au plus près de la faille. Par ailleurs, l'examen de l'ensemble des données m'a permis de développer une nouvelle approche pour identifier, définir et discriminer ce que j'ai appelé les zones internes (inner damage) et externes (outer damage) de l'endommagement tectonique. L'application de cette approche aux données disponibles révèle un certain nombre de lois d'échelle décrivant la distribution, l'architecture et la cinématique des zones endommagées en regard de certaines propriétés de la faille mère (déplacement cumulé, segmentation latérale, longueur des segments, etc.). Les zones d'endommagement internes et externes sont différentes, tant en distribution et largeur, qu'en composition (densité, taille et orientation des structures) et quantités de déplacements accommodés. Ces lois d'échelles devraient permettre de mieux estimer les propriétés mécaniques des roches endommagées autour des failles, et représenter les systèmes de failles de façon plus réalistes dans les modèles de rupture.