Paléosismologie lacustre et géophysique appliquées au lac d'Iznik (Turquie) : contribution à l'étude de la branche médiane de la Faille Nord-Anatolienne.

Lacustrine palaeoseismology and geophysics applied to Lake Iznik (Turkey) : contribution to the study of the Middle Branch of the North Anatolian Fault.

• Auteur / Autrice : Renaldo Gastineau
• Direction : Julia de Bernardy de Sigoyer, Pierre Sabatier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 15/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Michel Campillo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucilla Benedetti, Maarten Van Daele
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cecilia McHugh, Emmanuel Chapron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sédimentologie

Paléoenvironnement

Paléosismologie

Paléogéophysique

Mots clés libres

Géophysique

Paléosismicité

Paléoenvironnement

Sédimentologie

Dépôts d'événements

Paleoseismology

Sedimentology

Event deposits

Paleoenvironment

Geophysics

Résumé

En Turquie, la faille Nord Anatolienne (NAF), qui accommode le mouvement vers l’ouest de l’Anatolie par rapport à l’Eurasie, est une des failles les plus actives du monde. Durant le dernier siècle, une série de séismes (M>6.8) s’est propagée d’Est en Ouest le long de cette dernière. La prochaine rupture semble être prévue dans la région de Marmara, au Sud d’Istanbul. Cependant, la géométrie de cette faille se complexifie dans cette région. Elle se divise en trois branches, dont l'une borde le sud de la mer de Marmara et le lac d’Iznik. Ce segment médian de la NAF (MNAF) présente aujourd’hui une très faible sismicité et de faibles déplacements sont enregistrés par GPS, ce qui conduit à la considérer comme inactive. Cependant, la ville d'Iznik, berceau du christianisme, a conservé de précieux témoignages historiques contrastant avec ses observations. Six séismes destructeurs sont mentionnés depuis l'Antiquité. Afin de mieux comprendre l'aléa sismique de cette faille, il est nécessaire d'établir le catalogue de l'activité sismique et de localiser les ruptures passées.L’utilisation de lacs comme sismomètre naturel a déjà fait ses preuves. Après différentes campagnes géophysiques et de carottages dans le lac d’Iznik, cette thèse a permis d’identifier deux failles actives. La première partie de mes travaux se concentre sur la période antique. L’étude de carottes courtes (<4m) de sédiments prélevées de part et d’autre de la faille EW passant proche de la ville d’Iznik montre que la dernière rupture, datant de 1065 CE, correspond à un séisme historique ravageur pour la ville. Outre cette rupture localisée, de nombreux autres dépôts évènementiels sont présents dans les sédiments (latéralement et dans le temps). Cette thèse a permis de (1) différencier les dépôts de crues de ceux liés à des déstabilisations de pente, dont la plupart sont associés avec forte confiance à des séismes historiques ; (2) montrer que différents types de dépôts sont enregistrés pour un même séisme. A l'échelle du lac, la différence dans le type de dépôt dépend de la distance source-carotte. Un type de dépôt n'est observé que pour le séisme de 1065 CE, qui contrairement aux autres a lieu dans le lac, suggérant que ce type de dépôt pourrait dépendre des paramètres de mouvement du sol.Cette thèse présente également une compilation des travaux de paléosismologie marine et lacustre réalisés à l’échelle du Nord-Ouest de la faille Nord Anatolienne, permettant de discuter des limites de cette méthode. Ainsi, le concept de sensibilité du bassin (relation entre taux de sédimentation et déclenchement d’une déstabilisation de pente lié à un séisme) ne marche pas en milieu marin, contrairement au milieu lacustre. Il est également montré que le lac d’Iznik enregistre des séismes provenant à la fois de la NNAF et de la MNAF, tandis que la mer de Marmara ne semble enregistrer que des séismes provenant de la NNAF. Nous montrons également que contrairement à ce qui été envisagé auparavant, aucun séisme de Mw>5 n’est enregistré sur la MNAF depuis le XIe siècle, suggérant une importante accumulation de contraintes sur cette faille depuis.La dernière partie de cette thèse se concentre sur le long terme (>2000 ans) à partir de données sismiques et de carottes. D’importantes variations du niveau du lac sont mises en évidence depuis plus de 40 ka et offrent de nombreuses perspectives pour comprendre les parts respectives des forçages tectoniques et climatiques dans ces fluctuations. Que ce soit au sujet des variations du niveau des lacs ou des aspects liés au cycle sismique, cette thèse ouvre de nombreuses perspectives et a permis de préparer et réaliser une campagne de carottage long (jusqu'à 15 mètres) sur quatre sites différents, en Novembre 2021. Elle contient donc des clés essentielles pour poursuivre le décryptage des secrets du lac d’Iznik et améliorer la compréhension du cycle sismique aux longues échelles de temps.

In Turkey, the North Anatolian Fault (NAF), which accommodates the westward movement of Anatolia with respect to Eurasia, is one of the most active faults in the world. A series of earthquakes (M>6.8) have propagated from east to west during the last century. The next rupture seems to be expected in the Marmara region, south of Istanbul. However, the geometry of this fault becomes more complex in this region. It splits into three branches, one of which borders the southern Marmara Sea and Lake Iznik. This median segment of the NAF (MNAF) has very low seismicity today, and low displacements are recorded by GPS, which leads to considering it inactive. However, the city of Iznik, the cradle of Christianity, has preserved valuable historical evidence in contrast to its observations. Six destructive earthquakes have been mentioned since antiquity. To better understand the seismic hazard in this area, it is necessary to catalogue the seismic activity and locate past ruptures.The use of lakes as natural seismometers has already proved its worth. This thesis has identified two active faults after different geophysical and coring campaigns in Lake Iznik. The first part of this work focuses on the antic period. The study of short (<4m) sediment cores sampled on both sides of the EW fault passing near the Iznik city shows that the last rupture, dating from 1065 CE, corresponds to a devastating historical earthquake. In addition to this localised rupture, numerous other event deposits are present in the sediments (laterally and temporally). This thesis has (1) differentiated between flood deposits and deposits related to slope destabilisation, most of which are associated with high confidence with historical earthquakes; (2) shown that different types of deposits are recorded for the same earthquake. At the lake scale, the difference in depositional type depends on the source-core distance. One type of deposition is only observed for the 1065 CE earthquake, which takes place in the lake, unlike the others, suggesting that this type of deposition may depend on ground motion parameters.This thesis also presents a compilation of marine and lake palaeoseismological work carried out at the scale of the NW of the NAF, allowing discussion of the limitations of this method. Thus, the concept of basin sensitivity (relationship between the sedimentation rate and the triggering of a slope destabilisation due to an earthquake) does not work in the marine environment, contrary to the lacustrine environment. It is also shown that Lake Iznik records earthquakes from both the NNAF and the MNAF, while the Sea of Marmara seems to record only earthquakes from the NNAF. We also show that contrary to what was previously thought, no earthquakes of Mw>5 have been recorded on the MNAF since the 11th century, suggesting a significant accumulation of stress on this fault since then.The last part of this thesis focuses on the long term (>2000 years) using seismic and core data. Significant lake level variations have been revealed for more than 40 ka and offer many perspectives to understand the respective parts of tectonic and climatic forcing in these fluctuations. This thesis opens up many perspectives, whether about lake level variations or aspects related to the seismic cycle. Furthermore, it has enabled the preparation and execution of a long coring campaign (up to 15 metres) on four different sites in November 2021. It, therefore, contains essential keys to decipher the secrets of Lake Iznik further and improve the understanding of the seismic cycle on long time scales.