Vers une nouvelle génération de modèles de source

1. 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

2. Motivation : Diversité des séismes Ammon et al., 2006, 2008 Similarité dans les processus de rupture • Comportement au premier ordre de la source • Lois d’échelles Avancées méthodologiques/observationnelles • Amélioration et densification des réseaux d’observation • Amélioration des méthodes de modélisation Lay et al. (2011) Diversité et complexité de la source • 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 2

3. Projet : Vers une nouvelle génération de modèles de source multi-données intégrant une statistique réaliste de l’incertitude • 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 Séisme de Izmit (1999) Slip, m Depth, km Slip, m Depth, km 1 seul Modèle Slip, m Depth, km Ensemble de modèles 3

4. Approche multi-données Séisme de Denali (2002) Oglesby, D.D. et al. (2004) Complexité de la source • 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 Ammon et al., 2006, 2008 Mw=8.3 Mw=8.1 Mw=7.7 Intégration de l’information en cascade Inversion statique (GPS, InSAR,...) Inversion cinématique LP (Large-bande, cGPS,...) Inversion cinématique HF (SM, Large-bande,...) 4

5. Séisme du Balochistan (2013, Mw=7.7) Collaborations: Romain Jolivet, Mark Simons, Luis Rivera • 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

6. 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

7. Inversion en points source multiples • Observations: • - Phase W dans une bande • passante élargie (100-600sec) • - 90 canaux • Paramètres: • - Strike, Dip, Rake • - Délai temporel • - Loc. fixée • Forte vitesse de rupture • - VR~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

8. 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

9. Inversion du glissement: observations

10. 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 (Cd) Incertitudes sur les prédictions (Cp)

11. Modèles de glissement (moyenne a posteriori)

12. Résidus: Géométrie I Observations Prédictions Résidus

13. Résidus: Géométrie II Observations Prédictions Résidus

14. Comparaison avec les observations à longues période

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

16. Conclusion Séisme de Tohoku-oki 2011 (Mw=9.0): imagerie de la source et applications Solution phase W Distribution de glissement Distance along strike, km 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° Modèles de source Depth, km Slip, cm Duputel et al. (EPS, 2011) Tectonic Observatory (Caltech) Sismotectonique Physique de la source Modélisation tsunami Modèles et applications Lay et al. (2011) NOAA 16

17. Merci pour votre attention

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

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

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

21. A realistic stochastic model for the prediction uncertainty 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

22. Toy model 1: Infinite strike-slip fault μ1 - Data generated for a layered half-space (dobs) - 5mm uncorrelated observational noise (→Cd) - GFs for an homogeneous half-space (→Cp) - CATMIP bayesian sampler (Minson et al., GJI 2013): μ2 Synthetic Data + Noise shallow fault + Layered half-space Inversion: Homogeneous half-space Slip, m Slip, m ? μ1 0.9H 0.9H H H μ2 Depth / H Depth / H μ2 μ2/μ1 =1.4 2H 2H

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

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

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

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

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

28. Measurement errors • Non-independent observations • - decaying exponential correlation function