Étude du lac d'Iznik (Turquie) (bathymétrie carottages) pour établir le calendrier de la sismicité du segment médian de la faille Nord Anatolienne.

par Renaldo Gastineau

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Julia de Sigoyer et de Pierre Sabatier.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 08-10-2018 .


  • Résumé

    La Faille dextre Nord Anatolienne (NAF) (Turquie) qui accommode le mouvement vers l'ouest de l'Anatolie par rapport à l'Eurasie, est une des failles les plus active du monde. Dans sa partie occidentale, la NAF 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 (5mm/an) au travers de la faille. Pourtant, six séismes mentionnés dans des textes anciens causèrent des destructions importantes dans la ville d'Iznik située à proximité de cette faille depuis l'antiquité. L'évaluation de l'aléa sismique d'une région requière l'établissement du catalogue de la sismicité, l'identification des épicentres passés, la distribution des glissements sur les différents segments de failles. Les failles décrochantes sont fréquemment associées à la formation de bassins en pull-apart, tel que le lac d'Iznik situé sur le segment médian de la faille Nord Anatolienne. Les sédiments lacustres ont enregistré des informations sur i) les séismes passés, ii) la variabilité climatique tel que les précipitations extrêmes et iii) l'évolution des activités humaines autours du lac. Dans cette thèse nous souhaitons tirer partie des interactions en lac/tectonique/climat/et évolution humaine pour explorer l'influence de ces facteurs sur l'évolution de l'écosysteme et la société. La ville de Nicaea (l'ancienne Iznik) située sur les rives du lac Iznik, à 5 km du segment median de la faille Nord Anatolienne (MNAF) a été un site d'implantation humaine dès le Néolithique. Cette ville présente des vestiges archéologiques qui portent les stigmates de destruction/reconstruction au moins 4 seismes ont été identifies depuis l'époque romaine. Nicaea fut un centre politique et religieux majeur où s'est réuni le premier concile œcuménique de la chrétienté. Le lieu où ce premier concile s'était réuni restait introuvable. En 2014, à la faveur de l'abaissement du niveau de l'eau une basilique ensevelie dans le lac a été découverte. Elle a probablement été détruite et engloutie à la suite d'un séisme au 8ème siècle. Un calendrier précis des séismes passés est nécessaire pour mieux évaluer l'aléa sismique relié à la MNAF. A partir de diverses données acquises dans les sédiments lacustres de données archéologiques ou sismotectoniques nous proposons de remonter au catalogue de la sismicité et de localiser l'ensemble des segments de failles actifs dans cette région. Grâce à une étude précédente (thèse de Yacine Benjelloun) des données de sismotectoniques à terre et d'archéosismicité ont été obtenues. 4 séismes magnitude Mw>7 ont été identifés depuis le 2ème sc après JC. Un taux de glissement horizontal de 5.4  3 mm/an a été estimé pour la MNAF depuis 4000 ans, compatible avec les données GPS actuelles. Le temps de récurrence sur chaque segment de faille semble être autours de 500-1000ans. Le segment à l'Est d'Iznik ne sembla pas avoir rompu depuis 1000 ans. L'aléa semble donc très important dans cette zone. Pour mieux l'évaluer, il est nécessaire de remonter plus loin dans le temps. Nous proposons de le faire à travers l'étude du lac d'Iznik et en particulier de ses sédiments lacustres et des failles actives. L'étudiant-e en thèse débutera par l'acquisition et le traitement de données géophysiques (sismique réflexion et bathymétrie) nécessaires à la cartographie haute résolution les zones de failles actives sous lacustres ainsi que les zones de dépôts de sismites (avalanches sous marines déclenchées par les séismes). Le traitement des données géophysiques se fera à l'université de Bern en collaboration avec le Prof Flavio Anselmetti spécialiste des environnements lacustres. Une attention particulière sera portée aux zones les plus profondes du lac, probables lieu de dépôt des sismites ainsi qu'aux bordures du lac où d'autres vestiges archéologiques pourraient être identifiés. Outre l'utilisation directe de la cartographie pour comprendre la tectonique du lac, les résultats de cette étude permettront de déterminer les meilleurs sites de forage de sédiments lacustres qui ont enregistré les traces des anciens séismes. De grandes carottes de turbidites sont nécessaires pour remonter loin dans le temps et avoir la résolution suffisante pour discriminer entre un séisme et une tempête. Le challenge sera de carotter une longue carotte de sédiments sous 85 m d'eau. Des petites carottes seront également prélevées dans les trois sous bassins du lac pour étudier l'extension latérale des effets des séismes identifiés dans les grandes carottes. Des analyses sédimentologiques (couleur, granulométrie, perte au feu, imagerie hyperspectrale) associées à des données géophysiques (magnétisme) et géochimiques (majeurs traces) seront faites sur les carottes sous la direction de Pierre Sabatier d'EDYTEM (Chambéry), spécialiste des sédiments lacustres. Ces données documenteront l'évolution paléoenvironnementale du bassin versant, l'évolution de l'érosion liée aux variations climatiques, sismiques ou aux activités humaines. La chronologie détaillée des carottes se fera par datation C14 de macro restes, d'isotopes radioactifs de court terme et de paléomagnétisme. Un modèle d'âge sera établi pour chaque carotte et comparé au modèle de Roeser et al. (2012); Ülgen et al. (2012); Roeser (2014) qui ont carotté le lac pour obtenir des informations climatiques sur les dernier 36 ka. L'analyse des petites carottes échantillonnées autours et dans la basilique d'Iznik permettra de discuter des causes de son enfouissement, séisme éventuellement associé à de la liquéfaction du sol permettant la reptation de la basilique dans le lac. De telles liquéfactions entrainant l'enfouissement d'un hôtel ont été documentées au cours du séisme de Kocaeli. Finalement les données acquises dans cette thèse seront confrontées aux données sismotectoniques et archéosismologiques obtenues à terre pendant la thèse de Y. Benjelloun. De cette analyse conjointe un catalogue de la sismicité étendu au Quaternaire pourra être proposé. Cette thèse permettra de mieux comprendre le contexte sismotectonique de cette région à terre et sous le lac. Associée aux données de glissements sur les failles cette étude permettra une meilleure évaluation de l'aléa sismique autours d'Iznik. En intégrant à ces résultats les données d'ADN fossile provenant des carottes, l'impact des séismes et du climat depuis la préhistoire sur la société pourront être discuté.

  • Titre traduit

    Bathymetry, almanac of seismicity in the Iznik Lake (Turkey), inferred from core analysis and geophysical data.


  • Résumé

    The North Anatolian Fault is one of the most active fault in the world. It is divided into three branches on its western termination, the middle one is running along the south coast of the Marmara sea and the Iznik lake. This segment presents almost no seismicity and small displacements are recorded by GPS across the fault (<5mm/yr). Nevertheless written sources report 6 destructive earthquakes in Nicaea (actual Iznik) since antique times. Nicaea was an important political and religious site, as it hosted the first council of Christian bishops in AD 325 that represents the founding of Christian religion. The old basilica that hosted the council has just been discovered below 1.5 m of water in Lake Iznik, 20 m from the shore. It was probably destroyed and submerged during an earthquake at the 8th c. A fine catalogue of seismicity is required on this fault to assess its seismic hazard of this area. The assessment of the seismic hazard in an active area requires a catalogue of previous earthquakes, the identification of potential epicenter, and slip distribution on each fault segment. Strike-slip fault activity often leads to pull-apart basins associated to lake formation, such as Lake Iznik in Turkey (Fig. 1). Lacustrine sediments can provide valuable data on the past i) earthquakes (Strasser et al., 2006; Beck, 2009; Moernaut et al., 2014; Wilhelm et al., 2016), ii) climate variability, such as extreme precipitation events (Wilhelm et al., 2012, Wirth et al., 2013), and iii) human activities with pastoralism and agriculture (Arnaud et al., 2012; 2016; Giguet-Covex et al., 2014; Bajard et al., 2016). The shores of lakes provide also attractive settling areas for the first humans so that old civilisations often developed close to lakes. In this project we want to take advantage of this special relationship in between tectonics, lake system and human development to explore the influence of these forcing factors on past socio-ecosystem trajectories. The previous seismotectonic and archeoseismological study done on land on the middle segment of the North Anatolian fault by Yacine Benjelloun has shown that seismic hazard is dramatically underestimated on this fault. Actually, Y. Benjelloun has documented the occurrence of 4 earthquakes of Mw >7 along the MNFA since the 2cd century, and has estimated 5 mm/yr of dextral slipping rate considering the offsets of different dated geomorphological markers along the fault, which is consistent with geodetic data across the MNAF. To improve the seismic hazard assessment, we need to investigate earthquake occurrence further back in time to obtain a precise calendar of seismicity through Late Quaternary time. Lake Iznik, considered as a pull apart basin, contains invaluable information concerning the seismotectonics of the MNAF, the calendar of past earthquakes, and palaeoenvironnental records. This PhD will focus on lake study and on obtaining and interpreting cores of lacustrine sediments in order to better date these events. For that, a panel of methods, encompassing geophysical approaches, and sedimentological, geochemical, and DNA metabarcoding analyses, is required. The PhD student will begin his/her study processing the bathymetric and seismic reflection data that will be acquired on the Lake Iznik next spring and fall during geophysical survey, (INSU ALEAS Project). The data processing will be partly done in Bern with Flavio Anselmetti. From these data, the PhD student will extract a high-resolution bathymetry of the lake, a tectonic map of active faults offshore, and the locations and geometry of the zones of important mass-wasting deposits. Special attention will be drawn on the deepest part of the lake, where turbidites are deposited, and on the lake shores, in order to identify possible archaeological remains that could help date historic earthquakes, such as the flooded Basilica close to Iznik. On the basis of these geophysical data, the PhD student will select the ideal site to sample a long core into the depocenter of the mass wasting deposits as well as the sites for shorter cores in the three sub-basins of the lake and in the archaeological sites (on the coast). Coring missions will be organized on the first and second years of the PhD. One challenge will be to sample the longest possible core in the deepest part of the basin below 85 m of water in order to maximize the completeness of the recovered turbiditic sequence to be able to discriminate between individual turbidites triggered by earthquakes or storms and to travel further back into the past. The sedimentological analyses (color, grain size, Loss of Ignition, hyperspectral imagery) associated to geophysical analysis (magnetism proxies) of the cores collected during the PhD will allow to identify different sedimentary units including instantaneous deposits, and will discriminated deposit processes between those trigger by flood or earthquake. This work will be done under the supervision of Pierre Sabatier in EDYTEM. The PhD student will acquire the major and trace geochemistry with high resolution semi-quantitative analysis (XRF core scanner) and low resolution but quantitative analysis (WDXRF spectrometer) and analysis to study long term palaeoenvironmental evolution of soils through alteration and erosion process link to climate and/or human activities. the the PhD student will be established the chronology of sediment cores with short-lived radionuclides for the last century and radiocarbon date over the rest of the sediment sequences, historical events and paleomagnetism will help to reduce age model uncertainties. He/She will establish an age model of the cores which will be compared to the chronology of Roeser et al. (2012); Ülgen et al. (2012); Roeser (2014) based on cores sampled in the shallower parts of Lake Iznik, that encompass 36 ka. Correlation between seismic events identified in the long core with those of the small cores sampled in the three sub-basins should document the extent and importance of the detected earthquakes. The analyses of small cores sampled in and around the flooded basilica will help to test the hypothesis of soil liquefaction and lateral spreading triggered by the 740AD earthquake as being the main cause of destruction and burial of the basilica. A similar failure driven by soil liquefaction was documented along the shores of Lake Sapanca, a pull-apart basin on the NAF, during the 1999 Mw 7.4 Kocaeli earthquake. Finally, all the data acquired during this PhD will be merged together with tectonic and archaeological data obtained on land during the PhD of Yacine Benjelloun as well as with data acquired by our team on the coast close to the flooded basilica. From this combined analysis an accurate earthquake catalogue extending from historical time to Late Quaternary time should be developed. The active tectonic context will be clarified on and off-shore. Together, these data should refine the analysis of slipping rate and seismic cycle of the MNAF and improve the seismic hazard assessment in Iznik area. By integrating the DNA metabarcoding analysis to the study, the impact of earthquakes and climate on human activity will be inferred.