Joint approach combining damage and paleoseismology observations constrains the 1714 A.D. Bhutan earthquake at magnitude 8±0.5

International audienceThe region of Bhutan is thought to be the only segment of the Himalayas not having experienced a major earthquake over the past half millennium. A proposed explanation for this apparent seismic gap is partial accommodation of the India-Asia convergence further south across the Shillong Plateau, yet the seismic behavior of the Himalayan megathrust in Bhutan is unknown. Here we present historical documents from the region reporting on an earthquake in 1714 A.D. and geological evidence of surface rupture to constrain the latest large event in this area. We compute various earthquake scenarios using empirical scaling relationships relating magnitude with intensity, source location and rupture geometry. Our results constrain the 1714 A.D. earthquake to have ruptured the megathrust in Bhutan, most likely during a M7.5–8.5 event. This finding reclassifies the apparent seismic gap to a former information gap and implies that the entire Himalayan arc has a high level of earthquake potential

Déformation Holocène de l’Himalaya du Bhoutan. Apport de la géomorphologie et de la paléosismologie.

The Himalayan arc is one of the most of active intra-continental orogen in the world. Geological explorations of the Himalayas since the late 19th century have emphasized a 2500-km-long roughly cylindrical structure, with striking continuity of main units and thrust faults. However recent geophysical and geological investigations have revealed lateral variations (present-day convergence rates, gravimetry, seismicity, morphology, exhumation rates, and crustal structures).Over the las centuries, several major earthquakes (Mw > 7.5) have struck the arc and the dramatic effects of the Gorkha earthquake sequence in 2015 point to the important societal dimension. However, both the maximum size and the occurence probability of such earthquakes are still debated. While the kingdom of Bhutan is a key area in the understanding of the whole Himaayan arc, the country is still poorly documented. Long considered as a 350-km-long seismic gap, a single historical account reports a devastating earthquake in AD 1713.The first part of this thesis focuses on the quantification of vertical deformation along a N-S transect, from the southern-most thrust (The Main Frontal Thrust) to the High Himalaya. In the past three years we have carried out three fieldwork campains during which we sampled different deformation features such as (1) alluvial terraces along the front in order to quantify and the spatial and temporal variation of the Holocene uplift, (2) watershed basins in order to quantify the short term denudation rate ( 7.5) ont affecté l’Himalaya et le lourd bilan humain du séisme de Gorkha en 2015 indique un aspect sociétal important. Cependant, la taille maximale et la probabilité d’occurrence de ces méga-séismes sont toujours matière à débat. Or, bien qu’étant une zone charnière le long de l’arc, le royaume du Bhoutan reste pas ou peu documenté. Longtemps considéré comme une zone asismique de 350 km de long, un seul écrit historique rapporte l’occurrence d’un séisme dévastateur en 1713.L’objectif de ce travail de thèse est de quantifier la déformation, à différentes échelles spatiale et temporelle, de l’Himalaya du Bhoutan à travers des études morphotectonique et paléosismologique. Un premier volet vise à quantifier les mouvements verticaux le long d’un profil N-S allant de la structure la plus frontale (le Main Frontal Thrust) à la haute chaîne. Trois campagnes de terrain ont été réalisées permettant l’échantillonnage de (1) de terrasses alluviales le long du front permettant de quantifier et d’étudier les variations du soulèvement frontal Holocène, (2) de bassins versants pour l’étude de la dénudation court-terme (< 20 ka) dérivée des cosmonucléides (10Be) et (3) de terrasses alluviales dans le Moyen-Pays pour quantifier la dénudation à une échelle de temps un peu plus longue (< 50 ka).Le second volet de cette étude porte sur différentes études paléosismologiques le long du front ouest et centre Bhoutanais. Trois campagnes de terrain ont permis d’investiguer six sites différents. La datation et la modélisation de charbons détritiques a permis de mettre en évidence l’occurrence de cinq séismes majeurs durant les derniers 2700 ans. Ces résultats montrent que le Bhoutan ne peut pas être considéré comme une zone asismique. A une échelle régionale, l’occurrence de séismes majeurs au Bhoutan participe au débat d’un séisme de magnitude 9 le long de l’arc Himalayen

Holocene deformation in the Bhutan Himalaya from geomorphic and paleoseismologic study

La chaîne Himalayenne est l'un des exemples les plus spectaculaires de déformation active à la surface de notre planète. Au cours des derniers siècles, de nombreux séismes majeurs (Mw ≻ 7.5) ont affecté cette zone et le lourd bilan humain du séisme de Gorkha en 2015 a une nouvelle fois rappelé l’importance de parvenir à mieux estimer l’aléa sismique de cette région. Bien que les structures lithologiques et tectoniques semblent montrer au premier ordre une cylindricité le long des 2500 km de l'arc Himalayen, de nombreuses études, menées principalement au Népal, ont permis de mettre en évidence des variations latérales structurales, thermochronologiques, morphologiques, gravimétriques, sismologiques ou géodésiques. Le rôle de ces variations latérales sur la segmentation sismique reste cependant mal contraint. La taille maximale et la probabilité d’occurrence de ces méga-séismes sont donc toujours matière à débat.Ainsi, le comportement sismique de l’Himalaya du Bhoutan reste énigmatique. Pour certains les faibles taux de sismicité observés actuellement font de ce royaume une zone asismique de 350 km de long. Pour d’autres, à l’instar de l’Himalaya du Népal, la faible sismicité observée est associé à une forte accumulation de contrainte susceptible de générer des séismes majeurs. L'objectif de ce travail de thèse est d’améliorer notre connaissance de cette région en quantifiant la déformation à différentes échelles spatiales et temporelles via des études morphotectoniques et paléosismologiques.La première partie de cette thèse vise à quantifier les mouvements verticaux à l’ouest Bhutan et le long du Main Frontal Thrust, structure la plus frontale située au sud Bhoutan. Trois campagnes de terrain ont été réalisées permettant l'échantillonnage (1) de terrasses alluviales le long du front afin de quantifier et d'étudier les variations du soulèvement Holocène, (2) de bassins versants pour l'étude de la dénudation court-terme (≺ 20 ka) dérivée des cosmonucléides (10Be) et (3) de terrasses alluviales dans le Moyen-Pays pour quantifier l’incision Holocène. Les vitesses verticales obtenues au front sont comparables à celle proposées le long du reste de l’arc himalayen, suggérant une cinématique relativement simple. Par contre, nos résultats indiquent une variation de la géométrie du chevauchement himalayen (Main Himalayan Thrust) entre l’est Népal et l’ouest Bhoutan. La seconde partie porte sur plusieurs études paléosismologiques le long du front ouest et centre Bhoutanais. Six sites différents ont été étudiés au cours de trois campagnes de terrain. La datation et la modélisation de charbons détritiques a permis de mettre en évidence l'occurrence d’au moins cinq séismes majeurs durant les derniers 2700 ans, faisant du Bhoutan une zone sismiquement aussi active que le Népal. A une échelle régionale, cette étude apporte donc de nouvelles contraintes et contribue au débat sur la possibilité d’occurrence d'un séisme de magnitude 9 le long de l'arc Himalayen.The Himalayan arc is one of the most active intra-continental mountain belts in the world. Over the last centuries, several major earthquakes (Mw ≻ 7.5) have struck this arc. The dramatic effects of the Gorkha earthquake sequence in 2015 pointed once again the crucial need to improve seismic hazard assessment of this area. Geological explorations of the Himalayas since the late 19th century have emphasized a 2500-km-long roughly cylindrical structure, with striking continuity of main units and thrust faults. However recent geophysical and geological investigations have revealed lateral variations. The relationship between these variations and earthquakes segmentation along the arc remains poorly constraint. The maximum size and the occurrence probability of such earthquakes are still a matter of debate.For instance, the seismic behavior of Bhutan remains enigmatic. The present-day low seismicity rate observed in this area can reflect two opposite fault behaviors: an aseismic creeping zone or a zone of stress accumulation for future great earthquakes as the others parts of Himalayas. The main objective of this thesis is to bring new constraints on the deformation of the Bhutan Himalayas, at different space- and time-scales, through morphotectonic and paleoseismological approaches.The first part of this thesis focuses on the vertical deformation assessment along a N-S transect in western Bhutan and along the Main Frontal Thrust, which is the southern-most thrust in southern Bhutan. In the past three years, we have carried out three fieldwork campaigns to sample (1) frontal terraces to assess Holocene uplift rates, (2) watershed basins to quantify short term denudation rates (≺ 20 ky) derived from cosmonuclides 10Be and (3) hinterland alluvial terraces to quantify the Holocene incision rate. Frontal Holocene uplift rates obtained in Bhutan are consistent with those obtained in the others parts of Himalayas. Furthermore, our results reveal a variation in the geometry of the Main Himalayan Thrust between eastern Nepal and western Bhutan. The second part focuses on several paleoseismic studies along the west and central bhutanese Himalayan front. Different sites were investigated during three fieldwork campaigns. Detritic charcoals sampling and modeling suggest the occurrence of at least five surface-rupturing earthquakes during the last ~2700 years. These results demonstrate that the present-day low seismicity rate observed in Bhutan is not representative of the seismic activity at longer time scale. At regional scale, they also take part of a broader discussion on the probability of occurrence of a magnitude 9 earthquake along the Himalayan arc

A 2600-year-long paleoseismic record for the Himalayan Main Frontal Thrust (western Bhutan)

International audienc

First paleoseismic evidence for great surface-rupturing earthquakes in the Bhutan Himalayas

International audienceThe seismic behavior of the Himalayan arc between central Nepal and Arunachal Pradesh remains poorly understood due to the lack of observations concerning the timing and size of past major and great earthquakes in Bhutan. We present here the first paleoseismic study along the Himalayan topographic front conducted at two sites in southern central Bhutan. Paleoseismological excavations and related OxCal modeling reveal that Bhutan experienced at least two great earthquakes in the last millennium: one between the seventeenth and eighteenth century and one during medieval times, producing a total cumulative vertical offset greater than 10 m. Along with previous studies that reported similar medieval events in Central Nepal, Sikkim, and Assam, our investigations support the occurrence of either (i) a series of great earthquakes between A.D. 1025 and A.D. 1520 or (ii) a single giant earthquake between A.D. 1090 and A.D. 1145. In the latter case, the surface rupture may have reached a total length of ~800 km and could be associated with an earthquake of magnitude Mw = 8.7–9.1

Quelle place pour l’imagerie sismique dans la caractérisation des failles en domaine intraplaque ?

Localisés à distance des grandes limites de plaques lithosphériques, les domaines intraplaques présentent de faibles vitesses de déformation géologique, se traduisant par des niveaux de sismicité faibles à modérés, avec des temps de retour longs entre deux séismes significatifs. Dans ces régions, les processus de surface sont plus rapides que les processus tectoniques et tendent à effacer les éventuelles traces de rupture laissées en surface par des séismes majeurs du passé. L’estimation de l’activité des failles dans de tels contextes nécessite la mise en œuvre d’une approche pluridisciplinaire combinant géophysique, géologie et paléosismologie. Nous présentons ici l’approche développée par EDF, dans le cadre de ses études d’aléa sismique, pour améliorer la connaissance des failles en France métropolitaine, en se focalisant sur l’utilisation de la sismique réflexion (imagerie) à différentes échelles. Les lignes sismiques de Haute Résolution (HR ; i.e. sismique profonde de type pétrolière) permettent d’estimer la localisation et la géométrie des failles en profondeur, ainsi que leur histoire cinématique. La sismique ultra haute résolution en ondes S (UHRS) donne quant à elle une information sur la localisation des failles en très proche surface et permet de localiser d’éventuelles tranchées paléosismologiques visant à analyser l’activité des failles

Evidence of interseismic coupling variations along the Bhutan Himalayan arc from new GPS data

Although the first-order pattern of present-day deformation is relatively well resolved across the Himalayas, irregular data coverage limits detailed analyses of spatial variations of interseismic coupling. We provide the first GPS velocity field for the Bhutan Himalaya. Combined with published data, these observations show strong east-west variations in coupling between central and eastern Bhutan. In contrast with previous estimations of first-order uniform interseismic coupling along the Himalayan arc, we identify significant lateral variations: In western and central Bhutan, the fully coupled segment is 135-155km wide with an abrupt downdip transition, whereas in eastern Bhutan the fully coupled segment is 100-120km wide and is limited updip and downdip by partially creeping segments. This is the first observation of decoupling on the upper ramp along the Himalayan arc, with important implications for large earthquake surface rupture and seismic hazard

Paleoseismological investigations of the La Rouvière fault, unexpected source of the 11-11-2019, Mw 4.9 Le Teil surface rupturing earthquake (Cévennes fault system, France)

International audienceThe 11-11-2019 Le Teil earthquake (Mw4.9), located in the Rhône river valley occurred along the La Rouvière fault (LRF) within the NE termination of the Cévennes faults system (CFS). This very shallow moderate magnitude and reverse-faulting event inverted an Oligocene normal fault which was not assessed to be potentially active, causing surface rupture and strong ground shaking. Its morphology shows no evidence of cumulative reverse faulting during the Quaternary. These observations lead to the question whether the fault was reactivated for the first time since the Oligocene during the Teil earthquake, or if it had broken the surface before, during the Quaternary period, but could not be detected in the morphology