La branche médiane de la faille Nord Anatolienne dans la région d'Iznik : apports de la géomorphologie et de l'archéosismologie

par Yacine Benjelloun

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Julia de Sigoyer.

Soutenue le 27-11-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Attila Çiner.

Le jury était composé de Jean-Philippe Goiran, Hélène Dessales.

Les rapporteurs étaient Yann Klinger, Klaus Reicherter.


  • Résumé

    La faille nord anatolienne (NAF), une zone de faille dextre longue de 1000 km est caractérisée par un fort aléa sismique. Elle accommode le mouvement vers l’ouest de l’Anatolie par rapport à l’Eurasie. Dans sa partie ouest, la NAF se divise en trois branches, dont une borde le sud de la mer de Marmara et du lac d’Iznik. Ce segment médian de la NAF (MNAF) présente aujourd’hui une très faible sismicité. Pourtant, cette zone se caractérise par un risque sismique élevé à l’échelle des deux derniers millénaires. Plus de six séismes sont décrits par les auteurs anciens et causèrent des destructions dans la ville d’Iznik (ancienne Nicée), un centre politique et religieux important aux époques hellénistique et romaine. Notre étude a pour but de contraindre l’activité sismique récente de la MNAF dans la région d’Iznik à plusieurs échelles de temps, par une approche pluridisciplinaire combinant géosciences et archéologie.Le premier objectif de cette thèse est de développer l’étude des bâtiments anciens comme archives de la sismicité historique en observant leurs endommagements et réparations successifs. La ville de Nicée est appropriée pour ce type d’étude puisqu’elle présente plusieurs bâtiments préservés portant les traces de nombreuses réparations. J’ai concentré mon travail sur des infrastructures critiques comme la muraille défensive longue de 3 km. Cela inclut aussi l’aqueduc de la ville, recoupé par une faille active, ainsi qu’une basilique romaine découverte récemment sous les eaux du lac d’Iznik à 20 m de la côte. En appliquant plusieurs techniques de datation (stratigraphie des édifices, 14C) sur les bâtiments, j’ai pu identifier au moins trois séismes sources d’endommagement depuis le 6e siècle. La répartition des dommages sur les bâtiments permet d’estimer des intensités locales de VIII sur l’échelle macrosismique européenne (EMS98). Grâce à des simulations numériques, je montre que les déformations visibles sur un obélisque romain au nord d’Iznik sont compatibles avec des magnitudes proches de Mw 7 pour des distances épicentrales inférieures à 15 km.Le deuxième objectif de cette thèse est de contraindre la vitesse de glissement quaternaire sur la MNAF et de mieux comprendre la formation du lac d’Iznik à l’ouest de la ville. Ce lac de 313 km² est le plus grand lac d’eau douce de la région de Marmara. Les principales failles autour du lac ont été cartées avec un MNT de haute résolution dérivé d’images Pléiades. Les marqueurs géomorphologiques décalés par la MNAF ont fait l’objet de mesures systématiques. L’analyse statistique de ces décalages a mis en évidence six ruptures majeures préservées dans le paysage, avec des déplacements cosismiques entre 2 et 6 m. Les âges de trois niveaux de terrasses lacustres au nord du lac ont été quantifiés par radiocarbone et 10Be produit in situ. J’ai pu déterminer un taux de glissement horizontal minimum de 2.9 mm/yr. Le basculement vers le sud des paléorivages est compatible avec un taux de glissement vertical élevé sur la MNAF autour de 6 mm/yr.En travaillant sur la morphologie et les lithologies de la région d’Iznik, nous avons découvert des preuves d’épisodes glaciaires LGM. La morphologie en U de plusieurs vallées à l’est du lac d’Iznik, séparées par des sauts topographiques correspond à l’empreinte d’anciens glaciers. Cette hypothèse est confirmée par la présence de moraines en bord de vallée, de blocs erratiques aux lithologies variées, et de sédiments glacio-lacustres. La distribution spatiale de ces marqueurs morphologiques et lithologiques nous permet de reconstruire l’emplacement et le retrait vers l’est de ce glacier. Les âges absolus des dépôts glaciaires et des alluvions postérieurs à la glaciation sont compatibles avec des proxies paléoenvironnementaux provenant du lac d’Iznik et les études réalisées sur d’autres glaciers turcs LGM. Il s’agit de la première découverte de glaciers à si basse altitude en Turquie.

  • Titre traduit

    The middle strand of the North Anatolian fault in Iznik region : insights from geomorphology and archeoseismology


  • Résumé

    The North Anatolian fault (NAF), a 1000 km-long dextral fault zone is known for its strong seismic hazard. It accommodates the westward motion of Anatolia, relative to Eurasia. In its western part, the NAF splits into three strands, one of which passing south of the Marmara sea and the Iznik lake. This NAF middle strand (MNAF) shows nowadays a very low seismic activity. However, this area has been characterized by a significant earthquake hazard over the last two millennia. Several ancient authors mention the occurrence of more than six destructive earthquakes that impacted Iznik (old Nicaea), which was an important political and religious centre during the Hellenistic and Roman periods. Our study aims to constrain the recent seismic activity on the MNAF in the Iznik area at different time scales through a multidisciplinary approach coupling earth science and archeology.The first goal of this thesis is to develop the study of ancient buildings as archives of the historical seismicity by observing their successive damages and repairs. The city of Nicaea is appropriate for this kind of study as it presents several well preserved ancient buildings that bear traces of numerous repairs. I focus my study on the critical infrastructures for the city such as the 3 km-long protecting walls. This also includes the aqueduct that provided the city with water and is crossed by a segment of active fault, and a Roman basilica recently discovered underwater in the Iznik lake 20 m far from the shore. Applying different dating techniques (stratigraphy of the archaeological building, 14C) to the various materials of these buildings (terra cotta, mortar, concretions on the aqueduct), I was able to identify at least three damaging earthquakes since the 6th century AD. The amount of damage on these buildings allows to estimate local intensities at VIII on the European macroseismic scale (EMS98). Thanks to numerical simulations, I show that the current deformation visible on a Roman obelisk north of Iznik is compatible with magnitudes close to Mw 7 for epicentral distances smaller than 15 km.The second goal of this thesis is to constrain the Quaternary slip rate on the MNAF and better understand the formation of Iznik Lake, a 313 km²-large lake located just west of the city, which is the largest freshwater lake in the Marmara region. The main faults around the lake were mapped using a high-resolution DEM derived from Pleiades images. Geomorphic markers offset by the MNAF were systematically measured. The statistical analysis of the offsets revealed six major ruptures preserved in the landscape, with coseismic displacements between 2 and 6 m. The ages of three levels of lacustrine terraces north of the lake were quantified by radiocarbon and in-situ produced 10Be. A minimal horizontal slip rate of 2.9 mm/yr was estimated. The southward tilting of the lake paeloshorelines is compatible with a high vertical slip rate on the MNAF around 6 mm/yr.While working on the morphology and lithologies of the Iznik area, we have discovered significant evidence for LGM glacial events. The U-shaped morphology of several successive valleys east of Iznik Lake separated by topographic highs is interpreted as the print of past glaciers. This is confirmed by the presence of moraine deposits on the sides of the valleys, erratic blocks from various lithologies and glacio-lacustrine sediments. The geographical distribution of these morphological and lithological markers enabled us to reconstruct the former location and eastward retreat of this glacier. The absolute ages obtained from glacial deposits and alluvial sediments postponing the glaciation are compatible with paleoenvironmental proxies in Iznik Lake and previous studies of other Turkish LGM glaciers. This constitutes the first evidence of glaciation at low elevations in Turkey.


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