Steer, P., Jeandet, L., Cubas, N., Marc, O., Meunier, P., Simoes, M., Cattin, R., Shyu, J. B. H., Mouyen, M., Liang, W. T., Theunissen, T., Chiang, S. H., & Hovius, N. (2020). Earthquake statistics changed by typhoon-driven erosion. Scientific Reports, 10(1), 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598-020-67865-y

(English below) Stage de recherche de Master: Variations de stock d’eau, déformation et sismicité induite à Taïwan

Laboratoire d’accueil: Géosciences Rennes

Responsables de stage: Laurent Longuevergne, Philippe Steer, Clément Roques (Université Rennes 1), Maxime Mouyen (Chlamers University, Suède), Alexandre Canitano (Academia Sinica)

L’hydrologie "de surface" a été identifiée comme un mécanisme déstabilisant pouvant moduler la sismicité voire mener au déclenchement de séismes (Bettinelli et al., 2008; Bollinger et al., 2007). Que ce soit en surface ou en profondeur, les interactions physiques eau-roche sont des champs de développements scientifiques importants dans les années à venir. Malgré un travail important sur la sismicité induite par l’injection d’eau dans les réservoirs géologiques (e.g. Cappa et al. 2019), comprendre les interactions entre le cycle hydrologique naturel et la déformation, sismique ou asismique de la crôute terrestre reste encore un défi majeur où il est nécessaire de mieux cerner les écoulements de l’eau (Mouyen et al., 2017).

En effet, les relations entre précipitations, variations de stock d’eau, déformation et sismicité, peuvent être expliquées soit par de la diffusion de pression de pore en profondeur (Bell and Nur, 1978; González et al., 2012; Gupta, 2002; Hainzl et al., 2006) soit par un effet de surcharge (Craig et al., 2017). Ces liens apparents pourraient toutefois masquer des mécanismes plus complexes, notamment parce que les structures identifiées comme « hydrologiquement actives » ne sont pas forcément les structures qui portent les séismes (D’Agostino et al., 2018), y compris lors de tests d’injection (Jeanne et al., 2014; Kettlety et al., 2019).

L’objectif de ce stage est de mieux comprendre les conditions hydrogéologiques spécifiques qui favorisent la modulation de la déformation et de la sismicité. Pour cela l’étudiant déploiera des outils d’analyse des données hydrologiques au service d’une meilleure compréhension et d’une modélisation mécanique de la déformation crustale (variabilité spatiale) et de la sismicité (variabilité temporelle). Pour cela, il s’agit de créer un jeu de donnée pertinent (géologie, climat, hydrologie, déformation, sismicité) sur un terrain de jeu particulier très dynamique : Taiwan. Le déploiement d’outils d’analyse des données et de modélisation permettra de définir les propriétés du milieu, de calculer les variations de stock d’eau et de calculer les déformations associées. Les déformations simulées seront comparées au observations géodésiques et sismologiques pour identifier les processus reliant écoulements d’eau en profondeur et déformation.

Profil : Etude en Sciences de la Terre / Physique / Hydrologie. Un attrait pour la mécanique, l’hydro(géo)logie et la modélisation numérique est fortement souhaité.

Durée: 4 à 6 mois

Contacts : Laurent.longuevergne@univ-rennes1.fr, philippe.steer@univ-rennes1.fr, clement.roques@univ-rennes1.fr, maxime.mouyen@chalmers.se, canitano@earth.sinica.edu.tw

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English version: 

Research internship: Water storage variations, deformation and induced seismicity in Taiwan

Surface" hydrology has been identified as a destabilizing mechanism that can modulate seismicity or even trigger earthquakes (Bettinelli et al., 2008; Bollinger et al., 2007). Despite important work on induced seismicity related to high pressure injection in deep geological reservoirs (e.g. Cappa et al. 2019), understanding the interactions between the natural hydrological cycle and the seismic or aseismic deformation of the earth's crust is still a major challenge where a better understanding of the role of the water cycle is needed (Mouyen et al., 2017). 


Indeed, the relationships between precipitation, water storage variations, deformation and seismicity can be explained either by deep pore pressure diffusion (Bell and Nur, 1978; González et al., 2012; Gupta, 2002; Hainzl et al., 2006) or by loading effect (Craig et al., 2017). However, these could hide more complex mechanisms, particularly because the "hydrologically active" structures identified may not necessarily be the structures that lead to failure and earthquakes (D'Agostino et al., 2018), including during injection operations (Jeanne et al., 2014; Kettlety et al., 2019).


The objective of this internship is to better understand the specific hydrogeological conditions that control the modulation of deformation and seismicity. To this end, the student will develop tools to analyze and model the main hydrological controls on crustal deformation (spatial variability) and seismicity (temporal variability). A relevant dataset (geology, climate, hydrology, deformation, seismicity) will be compiled on a very dynamic playground: Taiwan. The development of data analysis and modeling tools will allow quantification of subsurface  properties, estimate water storage variations and predict crustal deformations. The computed deformations will be compared with geodetic and seismic observations to identify the processes linking deep groundwater flows and deformation. 


Profile: Earth Sciences / Physics / Hydrology. Interest in mechanics, hydro(geo)logy and numerical modeling.
 

Duration: 4 to 6 months

Contacts : Laurent.longuevergne@univ-rennes1.fr, philippe.steer@univ-rennes1.fr, clement.roques@univ-rennes1.fr, maxime.mouyen@chalmers.se, canitano@earth.sinica.edu.tw

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Références :

Bell, M. L. and Nur, A.: Strength Changes Due To Reservoir-Induced Pore Pressure and Stresses and Application To Lake Oroville., J Geophys Res, 83(B9), 4469–4483, doi:10.1029/JB083iB09p04469, 1978.

Bettinelli, P., Avouac, J. J.-P., Flouzat, M., Bollinger, L., Ramillien, G., Rajaure, S. and Sapkota, S.: Seasonal variations of seismicity and geodetic strain in the Himalaya induced by surface hydrology, Earth Planet. Sci. Lett., 266(3–4), 332–344, doi:10.1016/j.epsl.2007.11.021, 2008.

Bollinger, L., Perrier, F., Avouac, J.-P., Sapkota, S., Gautam, U. and Tiwari, D. R.: Seasonal modulation of seismicity in the Himalaya of Nepal, Geophys. Res. Lett., 34(8), L08304, doi:10.1029/2006GL029192, 2007.

Cappa, F., Scuderi, M. M., Collettini, C., Guglielmi, Y. and Avouac, J.: Stabilization of fault slip by fluid injection in the laboratory and in situ, , (March), 1–9, 2019.

Craig, T. J., Chanard, K. and Calais, E.: Hydrologically-driven crustal stresses and seismicity in the New Madrid Seismic Zone, Nat. Commun., 8(1), doi:10.1038/s41467-017-01696-w, 2017.

D’Agostino, N., Silverii, F., Amoroso, O., Convertito, V., Fiorillo, F., Ventafridda, G. and Zollo, A.: Crustal Deformation and Seismicity Modulated by Groundwater Recharge of Karst Aquifers, Geophys. Res. Lett., 45(22), 12,253-12,262, doi:10.1029/2018GL079794, 2018.

González, P. J., Tiampo, K. F., Palano, M., Cannavó, F. and Fernández, J.: The 2011 Lorca earthquake slip distribution controlled by groundwater crustal unloading, Nat. Geosci., 5(11), 821–825, doi:10.1038/ngeo1610, 2012.

Gupta, H. K.: A review of recent studies of triggered earthquakes by artificial water reservoirs with special emphasis on earthquakes in Koyna, India, Earth-Science Rev., doi:10.1016/S0012-8252(02)00063-6, 2002.

Hainzl, S., Kraft, T., Wassermann, J., Igel, H. and Schmedes, E.: Evidence for rainfall-triggered earthquake activity, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2006GL027642, 2006.

Jeanne, P., Rutqvist, J., Dobson, P. F., Walters, M., Hartline, C. and Garcia, J.: The impacts of mechanical stress transfers caused by hydromechanical and thermal processes on fault stability during hydraulic stimulation in a deep geothermal reservoir, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., doi:10.1016/j.ijrmms.2014.09.005, 2014.

Kettlety, T., Verdon, J. P., Werner, M. J. and Kendall, J. M.: Stress Transfer From Opening Hydraulic Fractures Controls the Distribution of Induced Seismicity, J. Geophys. Res. Solid Earth, doi:10.1029/2019JB018794, 2019.

Mouyen, M., Canitano, A., Chao, B. F., Hsu, Y.-J., Steer, P., Longuevergne, L. and Boy, J.-P.: Typhoon-Induced Ground Deformation, Geophys. Res. Lett., doi:10.1002/2017GL075615, 2017.

© 2017 by Clément Roques