Obliquity limit of megathrust earthquakes

Résumé technique : Limite d'obliquité des séismes de mégathrust

Énoncé du problème
Les séismes les plus importants de la Terre se produisent sur les zones de subduction de type mégathrust, où les plaques tectoniques convergent souvent de manière oblique par rapport à la fosse. Cette convergence oblique génère une composante de mouvement relatif parallèle à la fosse qui doit être accommodée soit par le glissement sur le mégathrust lui-même, soit par la déformation (spécifiquement le décrochement) au sein de la plaque chevauchante. Alors que les premiers modèles proposaient un seuil critique d'obliquité de convergence au-delà duquel la déformation est entièrement partitionnée dans les failles de décrochement de la plaque supérieure, des analyses géodésiques récentes indiquent que la déformation de la plaque supérieure se produit même à de faibles obliquités, et que la relation entre l'obliquité et la déformation de l'avant-arc varie considérablement selon les marges. Un cadre quantitatif reliant l'obliquité de convergence, la géométrie de la subduction, la direction de glissement du mégathrust et la déformation de la plaque supérieure faisait défaut. Cette lacune entrave l'estimation précise de l'accumulation totale de la déformation, du couplage sismique et des intervalles de récurrence des séismes, car les hypothèses simplificatrices courantes (selon lesquelles le glissement du mégathrust est soit entièrement normal à la fosse, soit entièrement parallèle à celle-ci) représentent mal l'accumulation réelle de la déformation.

Méthodologie
Les auteurs combinent trois ensembles de données mondiaux pour quantifier les obliquités de convergence et de glissement du mégathrust : le catalogue Global Centroid Moment Tensor (GCMT) (1976–2020) pour les mécanismes de foyer des séismes, le modèle Slab2 pour la géométrie de l'interface de subduction, et le Global Strain Rate Model (GSRM) pour les mouvements des plaques. Pour chaque séisme de faille de chevauchement d'interface, ils calculent l'obliquité de convergence ($\beta$) et l'obliquité de glissement du séisme ($\alpha$) par rapport à l'azimut de plongée local de la plaque subduite.

Pour expliquer les systématiques observées, les auteurs développent un modèle de minimisation du travail mécanique. Le modèle compare le travail tectonique requis par deux configurations de déformation extrêmes :

1. Totalement partitionnée : La déformation parallèle à la fosse est entièrement libérée par le décrochement de la plaque supérieure, entraînant un glissement du mégathrust normal à la fosse ($\alpha = 0$).
2. Non partitionnée : Toute la déformation oblique est libérée par le glissement du mégathrust ($\alpha = \beta$).

Le modèle suppose que les séismes libèrent la déformation élastique accumulée de manière à minimiser le travail tectonique total sur le système couplé de failles mégathrust-plaque supérieure. En définissant un rapport de résistance au cisaillement effectif ($R$) entre le mégathrust et les failles de décrochement de la plaque supérieure, les auteurs dérivent une expression analytique pour une limite d'obliquité dépendante de la pente ($\beta_{rb}$). Ils développent également une formulation continue pour identifier une obliquité de glissement optimale ($\alpha_{opt}$) qui minimise le travail total.

Pour appliquer ce cadre, les auteurs estiment le rapport de résistance au cisaillement effectif à l'échelle de la population ($R^*$) pour 14 zones de subduction mondiales. Ils utilisent une recherche par grille pour trouver la valeur de $R^*$ qui place la plus grande fraction d'événements « partitionnés » (où $\alpha < \beta$) dans un régime cohérent avec le modèle. Ils valident également ces résultats par rapport à des indicateurs de contrainte indépendants dérivés des valeurs b des séismes.

Résultats clés

• Systématiques mondiales : À l'échelle mondiale, la plupart des séismes de mégathrust glissent de manière moins oblique que la convergence des plaques locale ($\alpha < \beta$), mais ils glissent rarement dans une direction normale à la fosse. Les obliquités de glissement moyennes par segment varient généralement de 10 à 30 degrés, s'écartant de l'hypothèse commune d'un glissement purement orthogonal.
• Limite d'obliquité : Les données soutiennent l'existence d'une limite de l'obliquité de glissement du mégathrust dépendant de la pente. Le modèle analytique prédit un régime « Partitionné » (une zone interdite pour le glissement du mégathrust) où l'obliquité de convergence dépasse une limite déterminée par la pente de la plaque et le rapport de résistance $R$.
• Variabilité régionale : L'analyse de quatre marges représentatives (Sumatra, Aléoutiennes, Philippines et Kermadec) révèle des rapports de résistance optimaux ($R^*$) distincts pour chaque région : Sumatra (1,74), Aléoutiennes (1,41), Philippines (1,35) et Kermadec (3,75). Ces valeurs reflètent les variations locales de la résistance du mégathrust et des types de roches de la plaque supérieure. Cependant, dans tous les cas, les obliquités de glissement observées s'alignent sur la direction de glissement optimale dépendante de la pente prédite par le modèle de minimisation du travail.
• Partitionnement de la déformation : Sur les 14 marges évaluées, environ 68 % des 10 383 séismes de mégathrust analysés (et plus de 80 % des événements $M_w \ge 7$) glissent de manière moins oblique que la convergence des plaques locale, indiquant qu'une fraction substantielle de la déformation parallèle à la fosse est accommodée par la déformation de la plaque supérieure plutôt que par le glissement du mégathrust.

Signification et affirmations
L'article affirme fournir une base mécanique pour estimer l'accumulation de la déformation sur les mégathrusts soumis à une convergence oblique. En révisant la vision classique du seuil de partitionnement de la déformation, les auteurs soutiennent que la transition entre la déformation partitionnée et non partitionnée dépend non seulement de l'obliquité de convergence, mais aussi de manière critique de la pente de la plaque et du rapport de résistance effectif entre les systèmes de failles.

Les auteurs affirment que leur cadre de minimisation du travail explique pourquoi les directions de glissement des mégathrusts sont généralement intermédiaires entre les deux membres extrêmes, le glissement totalement partitionné et le glissement non partitionné. Ils soutiennent que supposer l'un ou l'autre des extrêmes (glissement pur orthogonal ou glissement pur parallèle à la fosse) introduit des biais significatifs dans l'estimation de l'accumulation de la déformation, du couplage sismique et des intervalles de récurrence. Par exemple, dans la zone de subduction de Cascadia, supposer une direction de glissement optimale plutôt qu'une convergence purement orthogonale ou une convergence complète pourrait modifier les estimations du temps de récurrence de plusieurs dizaines de pourcent.

En outre, l'article suggère que ce mécanisme dépendant de la pente fournit une explication physique pour la translation de l'avant-arc à long terme et le mouvement des terrains au cours du temps géologique, liant le partitionnement de la déformation à l'échelle des séismes au transport tectonique à grande échelle sans nécessiter une obliquité de convergence extrême. L'accord entre les obliquités de glissement observées et le modèle énergétique simple suggère que la pente de la plaque est un paramètre de contrôle sous-estimé dans la tectonique de subduction oblique.