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Gunatilake, Thanushika
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Gunatilake, Thanushika
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- PublicationAccès libreNumerical Modelling of Aftershock Sequences, Volcano-Tectonic Interactions, and Pandemic PropagationLe mystère du mécanisme dominant à l'origine des répliques est vieux de près de 130 ans. En 1894, Omori a été le premier à établir empiriquement que le taux de répliques pour la plupart des séquences de répliques diminue approximativement comme 1/temps. C'est ce que l'on appelle la loi d'Omori. De nombreux autres ajustements empiriques ont été tentés, mais la manifestation la plus couramment citée de cette loi est la loi d'Omori-Utsu modifiée, qui peut s'adapter à la plupart des séquences de répliques en utilisant des paramètres d'ajustement qui incluent la productivité des répliques et un délai jusqu'à l'apparition d'une loi de puissance décroissante dans le temps. Il existe peu de modèles physiques, mais celui qui est le plus pertinent pour cette thèse a été proposé pour la première fois en 1972 par Nur et Booker, qui ont suggéré que le fluide à haute pression induit par les chutes de tension pendant un tremblement de terre pourrait déclencher une sismicité ultérieure en réduisant la tension normale effective des régions voisines. Des études récentes ont montré qu'un modèle physique, basé sur les fluides, peut reproduire avec succès le comportement de type Omori en soutenant que le taux de décroissance après une réplique reflète la capacité tectonique à guérir le réseau perméable généré coséquemment. Plus précisément, le choc principal crée des réseaux perméables qui fournissent des voies d'évacuation pour les fluides à haute pression et génèrent des répliques le long de ces voies d'écoulement. Comme des dominos, les répliques créent de nouvelles voies d'écoulement. La déformation postsismique et les processus de précipitation chimique referment le réseau perméable et influencent les taux de décroissance des répliques. Cependant, toutes les séquences de séismes ne suivent pas le comportement typique d'Omori ; quelques exemples sont la séquence de séismes de Tohoku 2011 (Mw 9,1) dans le nord du Japon, la séquence de séismes Amatrice-Visso-Norcia (AVN) 2016 dans les Apennins centraux en Italie (Mw 6,5), et la séquence de séismes Iquique 2014 au Chili (Mw 8,1). Ces séismes ont déclenché des centaines de milliers de répliques au cours de la première année et ont montré des différences spectaculaires dans les taux de répliques le long de la grève, avec un comportement de répliques de type non-Omori. Dans cette thèse, je présente une hypothèse pour un cycle de répliques alimenté par des fluides, dans laquelle le taux de décroissance différentiel est expliqué par la génération continue de sources de fluides par décomposition thermique. La propagation du virus COVID19 démontre d'abord l'importance d'une source interne. En utilisant un modèle de diffusion non linéaire avec un terme source, je calcule la diffusion de la pression d'infection à travers une société poreuse. La source interne imite la transmission continue du virus d'un humain à un autre. Dans la physique des tremblements de terre, la déshydratation et la décarbonisation de H2O et CO2 en profondeur fournissent des sources de fluides continues qui déclenchent des milliers de répliques. En utilisant le modèle de diffusion non linéaire, je compare l'évolution temporelle et spatiale de la séquence AVN riche en séismes de 2016 avec des répliques déclenchées numériquement et je montre que les répliques sont entraînées par des sources de fluide générées de manière cosismique (haute pression) par décomposition thermique. Les tremblements de terre sans sources de fluide piégées en profondeur ou sans décomposition thermique génèrent peu, voire pas, de répliques. La distribution spatiale du fluide haute pression en évolution a nécessité le développement d'un modèle tridimensionnel qui inclut (i) la génération de fluide haute pression par décomposition thermique et (ii) la dynamique de la perméabilité qui joue un rôle important. Une perméabilité plus élevée permet aux chemins d'écoulement de rester ouverts pendant de longues périodes, de contribuer à la séquence de répliques et d'influencer fortement la variation spatiale et temporelle des répliques. Dans ce travail, je montre d'excellentes corrélations spatiales et temporelles entre les résultats du modèle et les observations pour les séquences de séismes AVN (2016) et L'Aquila (2009) dans les Apennins. En outre, l'activité sismique ouvre des fractures verticales préexistantes qui constituent des voies de remontée du magma à haute température, ce qui est bénéfique pour la production géothermique. L'interaction entre l'avant-dernière éruption du volcan japonais Aso en 2016, la séquence associée de Kumamoto, et son impact sur les centrales géothermiques locales sont explorés à l'aide d'un modèle d'advection/diffusion non linéaire pour la pression interstitielle et le flux de chaleur. Les interprétations des résultats du modèle présenté dans cette thèse ont des implications potentiellement importantes en géophysique, en géodynamique et en physique des séismes.
Abstract The mystery of the dominant mechanism driving aftershocks is almost 130 years old. In 1894, Omori first empirically established that the rate of aftershocks for most aftershock sequences decreases approximately as 1/time. This is known as Omori's law. Many other empirical fits have been attempted, but the most commonly cited manifestation of this law is the modified Omori-Utsu Law, which can fit most aftershock sequences using fitting parameters that include aftershock productivity and a time lag until the onset of a power law decay in time. Few physical models exist, but the one most relevant to this thesis was first proposed in 1972 by Nur and Booker, who suggested that the high-pressure fluid induced by stress drops during an earthquake could trigger subsequent seismicity by reducing the effetive normal stress of neighboring regions. Recent studies showed that a physical, fluid-based model can successfully reproduce Omori-type behavior by arguing that the aftershock decay rate reflects the tectonic ability to heal the co-seismically generated permeable network. More precisely, the mainshock creates permeable networks that provide escape pathways for high-pressure fluids and generate aftershocks along these flow paths. Like dominoes, the aftershocks create new pathways. Postseismic deformation and chemical precipitation processes reseal the permeable network and influence aftershock decay rates. However, not all earthquake sequences follow the typical Omori behavior; some examples are the 2011 Tohoku earthquake sequence (Mw 9.1) in northern Japan, the 2016 Amatrice-Visso-Norcia (AVN) earthquake sequence in the central Apennines in Italy (Mw 6.5), and the 2014 Iquique earthquake sequence in Chile (Mw 8.1). These earthquakes triggered hundreds of thousands of aftershocks in the first year and showed dramatic differences in aftershock rates along strike, with non-Omori type aftershock behavior. In this thesis, I present a hypothesis for a fluid-driven aftershock cycle in which the differential decay rate is explained by continuous fluid source generation through thermal decomposition. The spread of the COVID19 virus first demonstrates the importance of an internal source. Using a non-linear diffusion model with a source term, I calculate the diffusion of infection pressure through a porous society. The internal source mimics the ongoing transmission of the virus from a human to a human. In earthquake physics, dehydration and decarbonization of H2O and CO2 at depth provide continuous fluid sources that trigger thousands of aftershocks. Using the non-linear diffusion model, I compare the temporal and spatial evolution of the 2016 earthquake-rich AVN sequence with numerically triggered aftershocks and show that aftershocks are driven by co-seismically generated (high-pressure) fluid sources through thermal decomposition. Earthquakes without trapped fluid sources at depth or without thermal decomposition generate few, if any, aftershocks. The spatial distribution of evolving high-pressure fluid required developing a 3D dimensional model that includes (i) high-pressure fluid generation by thermal decomposition and (ii) the dynamics of permeability that plays a significant role. Higher permeability allows flow paths to remain open for extended periods of time, contribute to the aftershock sequence, and strongly influence the spatial and temporal variation of aftershocks. In this work, I show excellent spatial and temporal correlations between model results and observations for the AVN (2016) and L'Aquila (2009) earthquake sequences in the Apennines. Furthermore, seismic activity opens pre-existing vertical fractures that provide pathways for upwelling high-temperature magma, which is beneficial for geothermal production. The interplay between the penultimate eruption of Japan's Aso volcano in 2016, the associated Kumamoto sequence, and its impact on local geothermal power plants are explored using a nonlinear advection/diffusion model for pore pressure and heat flow. The results interpretations of the model presented in this thesis have potentially far-reaching implications in geophysics, geodynamics, and earthquake physics.