Quantification haute résolution du champ de déformation 3D des Alpes occidentales : interprétations tectoniques et apports à l’aléa sismique

The Alpine range is one of the first monitored mountain belts worldwide, both by seismic networks and space geodesy (GNSS), in particular due to its moderate but steady seismicity. Permanent GNSS measurements demonstrated that uplift is the main signal characterizing the current deformation in the European western Alps, reaching up to 2 mm/yr, while no shortening is observed across the belt. Based on the incredible amount of geodetic and seismic data available today, it now appears possible to constrain a new high resolution crustal strain field in the western Alps. This 3D field, made of surface deformation measurements and of the seismic deformation characteristics, is of primary importance in order to decipher the links between horizontal, vertical and seismic deformations. We rely for the present work on a multidisciplinary approach that aims at integrating 25 years long seismic records, 20 years of GPS measurements, and 4 years of Sentinel-1 satellite acquisitions, in order to establish the corresponding 3D strain rate field.For the first time in the western Alps, the spatial variability of the style of seismic deformation is robustly assessed, thanks to the analysis of the Sismalp (ISTerre Grenoble) database. New focal mechanisms computation along with principal stresses inversions have led to establish new orientations for the extensive deformation component, which occurs mainly in the center of the belt. As for the highly resolved 3D field of style of deformation, provided by Bayesian interpolations of focal mechanisms both at the surface and at depth, it reveals a vast majority of dextral strike-slip deformation occurring at the periphery of the belt, associated, in one specific area, with compression. These results bring new insights in the dynamics of the western alpine belt.Four GPS surveys (conducted in 1996, 2006, 2011 and 2016), along with the data provided by the permanent RENAG network, allowed us to increase the spatial resolution of the surface velocity and strain rate fields at the scale of the western Alps. These high resolution geodetic fields reveal that the amplitude of the extensive signal is at the highest in the Briançonnais area, while its kinematics appear consistent with interseismic deformation accommodated on at least one fault (the High Durance Fault). Longer-term seismic records show that, at least at the local scale, seismic and geodetic deformation patterns seem consistent within their uncertainty bounds in terms of kinematics and amplitude. At the regional scale of the entire western Alps though, geodetic strain rates appear one order of magnitude higher than the seismic ones, the latter comprising both instrumental and historical seismicity.Finally, four years of Sentinel-1 acquisitions appear to be the minimum time span required in order to derive long-term velocity maps in the satellite line of sight at the scale of the western Alps. The interferometric processing of the corresponding data allowed for the first time to get rid of the effects of snow and vegetation in a consistent way. The results feature short scale spatial variations in the uplift pattern, which are spatially correlated to crystalline external Alpine massifs as well as to the uplift patterns predicted by several isostatic adjustment models.This multidisciplinary work enabled us to increase the spatial resolution both of horizontal and vertical surface deformations and of seismic crustal deformation. The related 3D strain rate field sheds new lights on the various processes from which seismicity and deformation can originate. This 3D strain rate field moreover brings new constraints on several primary inputs to seismic hazard assessment models.La chaîne alpine est l'une des premières à avoir été instrumentées au monde, à la fois par géodésie spatiale et par sismologie, principalement en raison de sa sismicité modérée mais régulière. A partir de la grande quantité de données de géodésie spatiale et de sismologie aujourd'hui disponibles, il est désormais possible d’établir un champ de déformation 3D haute résolution de la croûte supérieure dans les Alpes occidentales. Ce champ, constitué des mesures géodésiques de déformation de surface, et des caractéristiques de déformation sismique, doit permettre d'établir les liens entre déformations horizontale, verticale, et sismicité. Nous utilisons au cours de cette thèse une approche multidisciplinaire, basée sur 25 années d'enregistrements sismiques, 20 années de mesures GPS (Global Positioning System) de campagne et permanentes, et 4 années d'acquisitions satellitaires Sentinel-1 pour contraindre le champ de déformation 3D correspondant.L’analyse de la déformation sismique à partir de la base de données Sismalp a permis d’atteindre une résolution de la variabilité spatiale du style de déformation inégalée jusqu’ici dans les Alpes occidentales. Au centre de la chaîne, le calcul des mécanismes au foyer et leur inversion en termes de contraintes principales montrent pour la première fois une orientation de l'extension systématiquement défléchie par rapport à l'axe normal à la chaîne, apportant ainsi des éléments novateurs en termes d’implications géodynamiques. L'interpolation bayésienne du mode de déformation sismique en surface et en profondeur révèle un mode décrochant dextre prédominant sur le pourtour de l'arc alpin occidental, associé à un mode compressif uniquement localisé.Le traitement des données GPS de quatre campagnes de mesures (1996, 2006, 2011, 2016), conjointement aux solutions permanentes RENAG (Réseau National GPS permanent), a permis d’augmenter la résolution des champs de vitesses et de déformation de surface à l’échelle des Alpes occidentales. Il apparaît que le maximum de déformation horizontale est localisé dans le Briançonnais et est compatible avec de la déformation intersismique accommodée par au moins une faille (Faille de la Haute Durance). La comparaison des taux de sismicité issus des mesures GPS et de ceux issus des catalogues de sismicité confirme que, à l'échelle locale et en prenant en compte les incertitudes respectives, la déformation sismique peut être suffisante pour expliquer la déformation horizontale observée dans le Briançonnais. Toutefois à l'échelle de l'arc alpin occidental, les taux de déformation géodésiques demeurent un ordre de grandeur supérieurs aux taux de déformation sismique déduits à la fois des périodes instrumentale et historique.Le traitement en interférométrie satellitaire de quatre années consécutives de données Sentinel-1, quant à lui, a permis pour la première fois dans cette région de s’affranchir de la couverture neigeuse et végétale pour obtenir une carte de vitesses le long de la ligne de visée du satellite à l’échelle de l'arc alpin occidental. Cette dernière a révélé des variations spatiales de courte longueur d'onde de la surrection dans les Alpes occidentales, corrélées spatialement avec les massifs cristallins externes et avec les variations prédites par plusieurs modèles d'isostasie.Ces travaux ont permis d'augmenter la résolution spatiale des déformations de surface horizontale, verticale et sismique de manière inédite à l'échelle des Alpes occidentales. Le champ de déformation 3D correspondant permet de jeter un regard nouveau sur les processus pouvant être à l’origine de la déformation actuelle de la chaîne alpine, ainsi que d'apporter des contraintes inédites sur les paramètres d'entrée nécessaires au calcul d'aléa sismique