Slip budget on the Mexican subduction zone / Bilan du cycle sismique sur la subduction mexicaine

4-6 months, starting January-March 2021

English Version (Version Française ci-après)

Slip budget on the Mexican subduction zone :

Subduction zones host the world largest earthquakes, and understanding how stresses accumulate and release along these plate boundaries is thus essential for a better assessment of the seismic hazard. The slip along the subduction interface is a combination of seismic (i.e. earthquakes) and aseismic slip (i.e. slow slip events, post-seismic), and understanding the partitioning between these two modes of slip is important to understand the seismic potential of faults. For example, it has been observed in several regions that seismic ruptures are mostly confined within patches that remain locked in the interseismic period.

In this project, we will focus on the Mexican subduction zone, which frequently host large damaging earthquakes and also frequent slow slip events (SSEs) that have been well studied (Radiguet et al.,2012). Because of the diversity of the modes of slip observed in that region, a careful study is required to assess the slip budget along this subduction zone, accounting for both the seismic and the aseismic slip. This has never been done on the Mexican subduction. This computation will then be used to constrain the return period of the maximum magnitude earthquake, as proposed by Avouac [2015].

To do so, we will take advantage up-to-date geodetic data that cover most of the subduction zone, in particular a recently processed InSAR time series [Maubant et al. 2020] that nicely complement the existing GPS time series acquired by the Mexican GNSS network. Geodetic data provide information on the surface deformation, over the last 20 years, sampling different phases of the seismic cycle (interseismic, coseismic, postseismic...). These data can be inverted to estimate the interseismic coupling (degree of fault locking) of the subduction interface, which constrain the aseismic part of the cycle. Previous studies [Rousset et al 2015] revealed that this pattern of interseismic coupling is highly variable in space and time. We will improve the previous inversions by accounting for more realist forward models (Green’s function) that will include topography and 3D variations in elastics properties inferred from tomography studies.

To constrain the seismic recurrence, we will use the existing seismic catalogs. We will first compare the robustness of global versus local earthquakes catalogs, and then determine a frequency-magnitude law (Gutenberg-Richter) for the region. This relation will be used to assess the amount of slip released by earthquakes and to estimate the magnitude and frequency of the maximum-magnitude earthquake in that region. The intern will have to combine two complementary datasets (seismic catalog and geodetic models), to assess the slip budget in the long-term. A special care will be required to assess the uncertainties associated with each step of the data and modeling.

Bilan du cycle sismique sur la subduction mexicaine :

Les zones de subduction sont le lieu des plus grands séismes du monde. Il est important de comprendre comment les contraintes tectoniques s’accumulent et se relâchent le long de ces limites de plaques pour mieux en évaluer l’aléa sismique. Le glissement le long d’une interface de subduction peut se faire sous la forme de glissement sismique (séisme) mais aussi de glissement asismique (séismes lents, creep ou glissements post-sismiques). La distinction entre ces deux modes de glissement est essentiel pour estimer le potentiel sismique. Par exemple, il a été observé dans plusieurs régions que les ruptures sismiques sont pour la plupart restreintes à des portions de l’interface qui restent bloquées dans la période intersismique.

Dans ce projet, nous nous concentrerons sur la zone de subduction mexicaine, sur laquelle on lieu régulièrement de grands séismes destructeurs, mais aussi des fréquents événements de glissement lent (Slow Slip Event) qui ont été bien étudiés (Radiguet et al.,2012). En raison de la diversité des modes de glissement observés dans cette région, une étude approfondie est nécessaire pour évaluer le bilan de glissement le long de cette zone de subduction, en tenant compte à la fois du glissement sismique et du glissement asismique. Cela n’a jamais été fait sur la subduction mexicaine. Ce bilan sera ensuite utilisé pour contraindre la période de retour du séisme de magnitude maximale, comme proposé par Avouac [2015].

Pour cela, nous utiliserons des données géodésiques qui couvrent la majeure partie de la zone de subduction, en particulier des séries temporelles InSAR couvrant la période 2015-2019 [Maubant et al. 2020] qui complètent bien les séries temporelles GPS existantes du réseau mexicain. Ces données géodésiques fournissent des informations sur la déformation de la surface, au cours des 20 dernières années, en échantillonnant différentes phases du cycle sismique (intersismique, cosismique, postsismique...). Ces données peuvent être inversées pour estimer le couplage intersismique (degré de verrouillage des failles) de l’interface de subduction, qui contraint la partie sismique du cycle. Des études antérieures [Rousset et al 2015] ont révélé que ce modèle de couplage intersismique est très variable dans l’espace et le temps. Nous proposons dans un premier temps d’améliorer les inversions précédentes en tenant compte de modèles avancés plus réalistes (fonctions de Green) qui incluront la topographie et les variations 3D des propriétés élastiques déduites des études tomographiques.

Pour mieux contraindre les temps de retours des séismes, nous utiliserons les catalogues sismiques existants. Nous comparerons d’abord la robustesse des catalogues sismiques mondiaux et locaux, puis nous déterminerons une loi magnitude-fréquence (Gutenberg-Richter) pour la région. Cette relation sera utilisée pour évaluer la quantité de glissement libérée par les séismes et pour estimer la magnitude et la fréquence du séisme de magnitude maximale dans cette région. Le stagiaire devra combiner deux ensembles de données complémentaires (catalogue sismique et modèles géodésiques), afin d’évaluer le budget de glissement à long terme. Un soin particulier sera apporté à l’évaluation des incertitudes associées à chaque étape des données et de la modélisation.

References :

Avouac, J.-P., 2015. From Geodetic Imaging of Seismic and Aseismic Fault Slip to Dynamic Modeling of the Seismic Cycle. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 43, 233–271. https://doi.org/10.1146/annurev-earth-060614-105302

Rousset, B., Lasserre, C., Cubas, N., Graham, S., Radiguet, M., DeMets, C., Socquet, A., Campillo, M., Kostoglodov, V., Cabral-Cano, E., Cotte, N., Walpersdorf, A., 2015. Lateral Variations of Interplate Coupling along the Mexican Subduction Interface : Relationships with Long-Term Morphology and Fault Zone Mechanical Properties. Pure App. Geophys. 1–20. https://doi.org/10.1007/s00024-015-1215-6

Maubant, L., Pathier, E., Daout, S., Radiguet, M., Doin, M.-P., Kazachkina, E., Kostoglodov, V., Cotte, N., Walpersdorf, A., 2020. Independent Component Analysis and Parametric Approach for Source Separation in InSAR Time Series at Regional Scale : Application to the 2017–2018 Slow Slip Event in Guerrero (Mexico). Journal of Geophysical Research : Solid Earth 125, e2019JB018187. https://doi.org/10.1029/2019JB018187