Vers une nouvelle génération de modèles de source via une prise en compte réaliste des incertitudes Zacharie Duputel Institut de Physique du Globe de Strasbourg Journée Scientifique EOST 19 décembre 2013

‣ Amélioration et densification des réseaux d’observation ‣ Amélioration des méthodes de modélisation Motivation : Diversité des séismes 2 Similarité dans les processus de rupture ‣ Comportement au premier ordre de la source ‣ Lois d’échelles Avancées méthodologiques/observationnelles Ammon et al., 2006, 2008 Lay et al. (2011) ‣ Lois d’échelles non respectées ‣ Bilan énergétique : ➡ Variabilité de la part d’énergie radiée (e.g., séisme lent) ‣ Propagation de la rupture sur plusieurs failles segmentées ‣ Intéraction entre failles Diversité et complexité de la source

3 Eléments constitutifs ‣ Données : - Observation de Terrain - Sismologiques, - Géodésiques,... ‣ Théorie : - Géométrie de la source, - Modèle de Terre,... Incertitudes sur les observations ‣ Bruit instrumental ‣ Bruit de fond sismique Incertitudes liées à la modélisation ‣ Géométrie du plan de faille ‣ Modèle de Terre Distribution de modèles a posteriori Projet : Vers une nouvelle génération de modèles de source multi-données intégrant une statistique réaliste de l’incertitude Séisme de Izmit (1999) Depth, km Slip, m 1 seul Modèle Ensemble de modèles

Approche multi-données Mw=8. 3 Mw=8. 1 Mw= Intégration de l’information en cascade Inversion statique (GPS, InSAR,...) Inversion cinématique LP (Large-bande, cGPS,...) Inversion cinématique HF (SM, Large- bande,...) Intégration d’une géométrie complexe : ‣ Failles non-planaires, ‣ Multi-segmentation des failles Intégration des observations disponibles : ‣ Observations de terrain ‣ Sismique réflection ‣ Localisation et mécanisme des séismes Complexité de la source Séisme de Denali (2002) Oglesby, D.D. et al. (2004) Ammon et al., 2006, 2008

Séisme du Balochistan (2013, Mw=7.7) Grands séismes peu fréquents dans les prismes d’accrétion - déformation asismique - déformation diffuse - forte pression de pore - sédiments peu résistants et non consolidés Faible sismicité régionale: - Séisme de Quetta (1935, Mw~7.5) - Séisme de Makran (1945, Mw~8.1) Faibles profondeurs de blocage - Szeliga et al. (2012) - Généralement inférieures à 5 km Région à faible potentiel sismogène Collaborations: Romain Jolivet, Mark Simons, Luis Rivera

Corrélation d’images optiques Landsat 8 Cosi-corr: - Images traitées par F. Ayoub, S. Leprince and J.P. Avouac - 64x64 pixels - Résolution spatiale de 240m Dates d’acquisition: - 10 septembre - 26 september

Inversion en points source multiples Observations: - Phase W dans une bande passante élargie ( sec) - 90 canaux Paramètres: - Strike, Dip, Rake - Délai temporel - Loc. fixée Forte vitesse de rupture - V R ~3.0 km/sec (section sud) - Observations simulaires pour le séisme de Izmit (1999) Géométrie de faille - Strike en accord avec la trace - Variation du pendage

Inversion du glissement: Géométrie de la faille Géométrie I - Pendage constant en profondeur - Basé sur les mécanismes W- phase > δ = 70° au nord > δ = 50° au sud Géométrie II - Etudes structurales: décollement à 10km (e.g., Ellouz-Zimmermann et al., 2007) - Pendage variable en profondeur

Inversion du glissement: observations

Inversion: une approche Bayésienne Information à Priori - Strike slip: U(-0.5,20) - Dip slip: N(0,2.) Fonction de vraisemblance (résidus) Incertitudes sur les observations (C d )Incertitudes sur les prédictions (C p )

Modèles de glissement (moyenne a posteriori)

Observation s Prédiction s Résidu s Résidus: Géométrie I

Observation s Prédiction s Résidu s Résidus: Géométrie II

Comparaison avec les observations à longues période

Open questions: is the fault mis- oriented ? Schematic illustration of contributions to strain within the accretionary wedge. Szeliga et al., 2012

16 Séisme de Tohoku-oki 2011 (Mw=9.0): imagerie de la source et applications Mw=9.0 ts=hd=68sec latitude=37.92° longitude=143.11° depth=19.5km φ = 196 °, δ = 12 °, λ = 85 ° φ = 21°, δ = 78 °, λ = 91 ° Solution phase W Distribution de glissement Distance along strike, km Depth, km Slip, cm Sismotectonique Physique de la source Modélisation tsunami Modèles de source Modèles et application s Conclusion Lay et al. (2011) Tectonic Observatory (Caltech)Duputel et al. (EPS, 2011) NOAA

Merci pour votre attention

Decay of the potency as a function of depth Slip models and derived seismic quantities

Comparison of waveform fit for point-source and three sub-event model Multiple point-source inversion

20 Partial derivatives w.r.t. the elastic parameters (sensitivity kernel) Covariance matrix describing uncertainty in the Earth model parameters Exact theory Stochastic (non-deterministic) theory A realistic stochastic model for the prediction uncertainty The forward problem ‣ posterior distribution: p(d|m) = N(d | g(,m), C p ) p(d|m) = δ(d - g(,m)) Calculation of Cp based on the physics of the problem: A perturbation approach

Partial derivatives w.r.t. the elastic parameters (sensitivity kernel) Covariance matrix describing uncertainty in the Earth model parameters A realistic stochastic model for the prediction uncertainty Calculation of Cp based on the physics of the problem, a perturbation approach

? Slip, m H Depth / H 2H2H μ1μ1 μ2μ2 μ 2 /μ 1 = H - Data generated for a layered half-space (d obs ) - 5mm uncorrelated observational noise (→C d ) - GFs for an homogeneous half-space (→C p ) - CATMIP bayesian sampler (Minson et al., GJI 2013): Toy model 1: Infinite strike-slip fault Slip, m H Depth / H 2H2H μ2μ2 0.9 H Synthetic Data + Noise shallow fault + Layered half-space Inversion: Homogeneous half-space μ1μ1 μ2μ2

Toy model 1: Infinite strike-slip fault Input (target) model Posterior Mean Model

Slip, m Depth / H Displacement, m Distance from fault / H No C p (overfitting) C p Included (larger residuals) Depth / H Why a smaller misfit does not necessarily indicate a better solution Distance from fault / H Displacement, m

25 Toy Model 2: Static Finite-fault modeling Dist. along Strike, km Dist. along Dip, km East, km North, km Shear modulus, GPa Depth, km Horizontal Disp., m Vertical Disp., m Slip, m Input (target) model Earth modelData Finite strike-slip fault ‣ Top of the fault at 0 km ‣ South-dipping = 80° ‣ Data for a layered half-space

26 Toy Model 2: Static Finite-fault modeling Dist. along Strike, km Dist. along Dip, km East, km North, km Shear modulus, GPa Depth, km Horizontal Disp., m Vertical Disp., m Slip, m Input (target) model Earth modelData Model for Data Model for GFs Finite strike-slip fault ‣ 65 patches, 2 slip components ‣ 5mm uncorrelated noise (→C d ) ‣ GFs for an homogeneous half- space (→C p )

27 Toy Model 2: Static Finite-fault modeling Dist. along Strike, km Dist. along Dip, km Shear modulus, GPa Depth, km Slip, m Finite strike-slip fault ‣ 65 patches, 2 slip components ‣ 5mm uncorrelated noise (→C d ) ‣ GFs for an homogeneous half- space (→C p ) Input (target) model - 65 patches average Earth model Dist. along Strike, km Dist. along Dip, km Slip, m Posterior mean model, No Cp Dist. along Strike, km Dist. along Dip, km Slip, m Posterior mean model, including Cp Uncertainty on the shear modulus

Measurement errors Non-independent observations - decaying exponential correlation function