À l'origine des motifs de microsismicité dans les failles et volcans - Le rôle des processus intermittents de circulation de fluide

The activity of the smallest earthquakes that can be detected in the Earth is a symptom of minute changes that occur beneath our feet. Microseismic activity can in particular be used to monitor how fluid flows in geological plumbing systems like faults or volcanoes, from deep sources of fluid to the surface. In subduction zones for instance, the plate interface emits faint, intermittent, low-frequency seismic signals called tremor, composed of small individual low-frequency earthquakes (LFEs). In this manuscript, we try to understand how unsteady fluid circulation processes in the subduction fault zone can shape the source and spatio-temporal patterns of tremor, how tremor can therefore be used to probe dynamic fluid processes at depth.In a first part, we characterize the source of LFEs in Guerrero, Mexico, and find that their duration seems independent of their magnitude. This observation is inconsistent with the classical view that earthquakes should be generated by a rupture of the rock. It can however be explained by a model of LFE source that involves fluid pressure transients in the fault interface, fast and strong enough to generate seismic waves.The source of LFEs is not the sole indicator of strong, localized variations of fluid pressure in the fault zone. Geological observations of fossilized subductions indicate that the fault permeability opens and closes episodically, and that the fluid pressure drops and increases as a result. Such widespread unsteady hydraulic conditions in the fault could be a key factor shaping the complexity of spatio-temporal patterns of tremor activity. They are however seldom considered in attempts to describe the processes at the origin of the full spectrum of tremor patterns observed in subduction zones.In a second part, we therefore design a framework to describe the unsteady pro- cesses of fluid circulation in the subduction fault, and how they trigger elementary tremor events. We model fluid ascent from metamorphic dehydration sources through a permeable channel in the fault interface. Low-permeability segments of the channel impede the flux, locally producing strong pressure gradients. In an elementary valving mechanism, the permeability barriers break open and then heal shut in response to the strength of the local fluid pressure gradient. When valves break they produce a simulated LFE, the rapid fluid pressure transient potentially being the source of seismic waves. Valves can trigger each other through pressure transients. Their interaction lead to realistic, tremor-like patterns: cascades, synchronized bursts and migrations of activity, on both short and long time and space scales. We describe how the fluid input rate in the channel allows for activity, and more specifically which conditions best favor the emergence of realistic patterns of activity. We show that stronger interactions, and therefore more clustered, periodic activity can occur when valves are clustered in space, and when flux conditions make them more critical, and thus more susceptible to interactions. Based on our results, the emergence of large, complex, long-period activity transients could come from the collective behavior of valve like segments in the interface, shaping large scale valving behavior of the fault interface.This work provides a conceptual framework to understand how heterogeneous, intermittent fluid pressure conditions can emerge in the subduction fault. Our model of how the seismic source is triggered by the fluid pressure field and affects it in re- turn allows to conceptualize how elementary sources can interact in an hydraulic system, and build up patterns of seismicity. Beyond the subduction zone, this frame- work has a more general reach to interpret how fluid unsteadily flows in all geologic plumbing systems. The permeability valve mechanism is a powerful yet simple description that allows to think of fluid transport as a series of fluid pressure accumulation and release, that shape intermittent fluid transport, and intermittent seismicity as a symptom.L’activité des plus petits séismes détectés dans la Terre est symptomatique des changements infimes qui se produisent sous nos pieds. L’activité microsismique peut notamment être utilisée pour surveiller la façon dont les fluides circulent dans les failles ou les volcans, depuis des sources de fluides en profondeur jusqu’à la surface. Dans les zones de subduction par exemple, des signaux sismiques faibles, intermit- tents et de basse fréquence appelés tremor, composés de petits événements de basse fréquence (low-frequency earthquakes, ou LFEs) sont émis depuis l’interface entre les plaques. Dans ce manuscrit, nous essayons de comprendre comment des processus instables de circulation de fluide dans la zone de faille de subduction peuvent façonner le signal et les motifs spatio-temporels que dessinent le tremor, et comment celui- ci peut donc être utilisé pour diagnostiquer la dynamique du système hydraulique de la faille de subduction.Dans une première partie, nous caractérisons la source des LFEs à Guerrero, au Mexique, et constatons que leur durée semble indépendante de leur magnitude. Cette observation est incompatible avec la vision classique selon laquelle les séismes devraient être générés par une rupture sur une faille. Elle peut cependant être re- produite par un modèle qui explique la source sismique des LFEs par de rapides changements de pression de fluide dans l’interface de la faille.La source des LFEs n’est pas le seul indice que de fortes variations de pression de fluide se produisent dans l’interface de subduction. Quand cette zone est ex- humée, les affleurements sont marqués par la signature d’ouvertures et de fermetures répétées de la perméabilité de la zone de faille, générant des conditions in- stables de pression dans le fluide. La dynamique de ce système hydraulique doit contribuer à la complexité des motifs d’activité du tremor, bien qu’elle soit rarement considérée dans les études tentant de les décrire dans leur entièreté.Dans une deuxième partie, nous élaborons donc un modèle qui permettrait de décrire les processus dynamiques de circulation des fluides dans la faille de subduction, et leur lien avec le tremor. Nous modélisons l’ascension des fluides depuis des sources profondes de déshydratation métamorphique vers la surface, au travers d’un canal perméable dans l’interface de faille. Les segments faiblement perméable du canal entravent le flux, et génère localement de forts gradients de pression. La perméabilité des barrière s’ouvre puis se referme dans un mécanisme de valve, en réponse au gradient local de pression de fluide. Lorsque les valves se rompent, le changement brutal de pression génère un LFE. Les valves voisines communiquent par des transitoires de pression de fluide, qui déclenchent leur ouverture quand une valve à proximité s’ouvre. Cette interaction produit des motifs réalistes de sismicité synthétique, semblables à ceux observés pour le tremor : cascades d’activité, synchronisation et migration de l’activité font apparaissent et se développent sur plusieurs échelles spatiales et temporelles. Le flux fluide à l’entrée du système con- trôle la présence et le style d’activité produite par les valves. Nous montrons que plus les interactions entre valves sont fortes, plus une activité clusterisée dans le temps apparait, et plus les épisodes d’activité se reproduisent périodiquement. La force des interactions transportées par le champ de pression fluide est d’autant plus forte que les valves sont nombreuses et groupées dans le système, et que la valeur du flux d’entrée les rend critiques — proche des conditions d’ouverture ou de fermeture —, et donc susceptible d’interagir. Sur la base de nos résultats, nous émet- tons l’hypothèse la complexité et des longues périodes de récurrence de l’activité du tremor pourraient provenir du comportement collectif de valves dans la zone de faille, qui façonnent des régimes hétérogènes et transitoires de circulation du fluide, à des échelles spatiales allant de la source à la zone de subduction, et des échelles temporelles allant de la journée à plusieurs années.Cette étude pose un cadre conceptuel permettant de comprendre comment des conditions de pression de fluide hétérogènes et intermittentes peuvent émerger dans la faille de subduction. Notre modèle permet de concevoir l’émergence à grande échelle de motifs spatio-temporels d’activité grâce à l’interaction entre des sources sismiques individuelles, en décrivant la manière dont un événement sismique déclenche et est déclenché par des changements de pression de fluide. Au-delà des zones de subduction, ce cadre de pensée est applicable à d’autres systèmes géologiques de circulation de fluide, comme les réservoirs magmatiques. Le mécanisme de valve de perméabilité que nous décrivons est une description simplifiée mais efficace, permettant de penser le transport des fluides dans des milieux dynamiques comme étant composé d’événements d’accumulation et débâcle de fluide. De tels processus façonnent l’intermittence du transport de fluide et de l’activité sismique qui en découle, et leur compréhension nous permet d’utiliser les observations sismiques comme un diagnostic des conditions hydrauliques en profondeur