Geomorphic study of seismically active areas using remote sensing data. Case of the Gorny Altai (Siberia) affected by the 2003 Altai earthquake

Analyse géomorphologique par télédétection de zones sismiquement actives : Exemple du secteur de Gorny-Altai (Sibérie) affecté par le tremblement de Terre de l’Altai en 2003

¹ Université Reims Champagne-Ardenne, Faculty of Science, GEGENAA EA3795 et SFR CNRS 3417 Condorcet, 2 esplanade Roland Garros, 51100 Reims, France
² V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, pr. Akademika Koptyuga 3, Novosibirsk, 630090, Russia and Novosibirsk State University, ul. Pirogova 2, Novosibirsk, 630090, Russia

^* jean-paul.deroin@univ-reims.fr

Received: 18 December 2015
Accepted: 15 November 2016

Abstract

This paper shows that a multitemporal, multiscale, and multisource remote sensing dataset represents an efficient tool for studying morphotectonics in seismically active areas, with an application in Siberia. The focus is placed on the use of high resolution imagery including Corona, Orbview 3, Ikonos 2 (available on Google Earth), and Landsat images combined with four different digital elevation models (DEMs) built using various satellite data. DEMs are the version 2 SRTM 3 arc-second and version 3 SRTM 1 arc-second released by USGS, the X-SAR DEM, and the version 2 Aster GDEM.

In the specific case of the Gorny Altai, the remote sensing dataset composed of DEMs and satellite images provide relevant evidence of the geomorphological consequences of the 2003 Altai earthquake characterized by large landslides, block tilting, and ground-cracks. Ikonos imagery reveals the en-échelon faults compatible with a dextral strike-skip faulting. Archive satellite data allow us detecting new faults generated by the earthquake, but also the pre-existing fault network, with a specific emphasis on the use of Corona archive from the 1960’s. The best global DEMs (SRTM 1 arc-second and Aster GDEM) are well-correlated. Generally, the Aster GDEM presents a lower horizontal accuracy than the SRTM DEM, whereas the vertical accuracy is relatively similar. In the case of the largest landslide induced by the 2003 Altai earthquake (about 1 km²), the comparison of the pre-seismic topographic profile obtained by SRTM and the post-seismic topographic profile obtained by Aster GDEM is of great interest. Following the landslide episode, it allows us defining a zone of depletion and a zone of accumulation. The limit between the hard Palaeozoic rocks (sandstone, etc.) and the loose Quaternary sediments appears clearly as a zone of weakness. Before the 2003 earthquake, a round track was already detected in the Corona images, corresponding either to an old landslide or a precursor stage of the major landslide.

More generally, the dextral strike-slip faulting is accompanied by the uplift of the northeastern segment, close to the Chagan Uzun block. In the Kuskunnur-Taltura-Chagan river area, this uplift is revealed by the abnormal elevation of the Kuskunnur river compared to the elevation of the Taltura river. The present geomorphological study is a complement to dendrochronological and radiocarbon dating of earthquake triggered landslides, rockfalls and seismically cut fossil soils.

Résumé

Une approche combinant des données de télédétection multisources, multitemporelles et à différentes échelles, afin d’étudier du point de vue morphotectonique des zones sismiquement actives, est appliquée sur un secteur de Sibérie. L’accent est mis, d’une part sur l’utilisation d’images satellitaires à très haute résolution spatiale (THRS, ≤ 2 m) notamment Corona, Orbview 3, Ikonos 2 (données disponibles sur Google Earth) et, d’autre part, sur l’utilisation des données Landsat combinée à quatre sources différentes de modèle numérique de terrain (MNT), à savoir SRTM version 2 (3 secondes d’arc de résolution), SRTM version 3 (1 seconde d’arc de résolution), le MNT X-SAR, tous les trois fournis par l’USGS (États-Unis), et le MNT Aster GDEM (version 2) fourni par la JAXA (Japon). Dans le cas de la chaîne du Gorny Altaï située dans la république de l’Altaï au sud de la Sibérie, les données de télédétection apportent des éléments originaux sur les conséquences géomorphologiques du séisme de l’Altaï qui s’est produit le 27 septembre 2003 (M_w = 7,3). Les principales formes reconnues sont de grands glissements de terrain, des chutes de blocs, ainsi que des réseaux de fractures ouvertes. Les images Ikonos permettent de reconnaître des failles en échelons compatibles avec un jeu décrochant dextre. L’analyse des images d’archive, notamment les données Corona acquises dans les années 1960, conduit à identifier les failles préexistantes au séisme de l’Altaï, et des images THRS postérieures à septembre 2003 précisent certaines structures générées par le tremblement de terre.

Les deux MNT présentant la meilleure résolution (SRTM 1 seconde d’arc et Aster GDEM) apparaissent fortement corrélés. De manière générale, le MNT Aster GDEM présente une résolution horizontale inférieure à celle de SRTM, alors que la résolution verticale apparaît identique. Dans le cas particulier d’un large glissement de terrain généré sur environ 1 km² par le séisme de l’Altaï à la longitude 88°04’E, la comparaison du profil topographique pré-sismique issu du MNT SRTM et du profil post-sismique issu du MNT Aster est du plus grand intérêt. En effet, le glissement se traduit par l’apparition d’une zone d’accumulation en aval et d’une zone en dépression en amont. La limite entre les roches paléozoïques dures (grès, etc.) et les sédiments quaternaires meubles apparaît clairement comme la zone de faiblesse majeure. Avant le séisme de 2003, une forme circulaire détectée sur les images Corona suggère que soit le secteur avait été sujet à un glissement de terrain antérieur, soit que le glissement de 2003 était déjà initié depuis plusieurs années. Plus globalement, le décrochement dextre est synchrone de la remontée du segment nord-oriental, à proximité du bloc de Chagan Uzun. Dans le secteur des rivières Kuskunnur, Taltura et Chagan, cette remontée est prouvée par l’altitude anormale de la Kuskunnur par rapport à la Taltura. La présente étude géomorphologique est une contribution aux travaux de datation (dendrochronologie et ¹⁴C) sur les glissements de terrain, chute de blocs et sols affectés par les tremblements de terre dans ce secteur de Sibérie méridionale. La comparaison à des fins géomorphologiques de deux MNT obtenus par télédétection avant et après un séisme majeur constitue, à notre connaissance, la première utilisation de cette nature.