Tectonique active à la jonction des plaques Afrique, Arabie et Anatolie-Eurasie (sud de la Turquie) : Caractérisation des failles et analyse de la déformation par un réseau GPS dense

Active tectonics at the junction between the African, Arabian and Anatolian-Eurasian plates (southern Turkey) : Fault characterisation and deformation analysis by a dense GPS network

• Auteur / Autrice : Sophie Ricour
• Direction : Mustapha Meghraoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés libres

Gps

Moyen-Orient

Géomorphologie

Cinématique des plaques

Résumé

D’un point de vue géodynamique, la Turquie se situe à l’intersection de trois principales plaques tectoniques, l’Afrique, l’Arabie et l’Eurasie et constitue une zone tectonique clef de la ceinture orogénique Alpes – Himalaya, qui s’étend de l’Espagne à la Chine. La Turquie est donc un fabuleux laboratoire naturel pour étudier la convergence liée à la collision entre ces trois plaques et les structures qui en sont la conséquence, comme les chevauchements, les failles actives et les formations associées de bassin. Trois failles majeures se rencontrent dans la province turque d’Hatay, la Faille Est Anatolienne (FEA) sénestre, la Faille de la Mer Morte (FMM) sénestre et l’Arc de Chypre, regardées respectivement comme les limites de plaques Arabie – Anatolie, Arabie – Afrique et Afrique – Eurasie. Bien que de nombreuses études s’accordent à dire, d’un point de vue cinématique, que la limite entre l’Anatolie, l’Arabie et l’Afrique forme une jonction triple au sud-est de la Turquie, la nature et la géométrie des failles qui constituent cette jonction sont toujours sources de débats, en particulier sur l’établissement d’un modèle cohérent de déformation régionale. Plusieurs questions restent donc à ce jour non résolues : quelles sont les vitesses le long des trois principaux systèmes de failles décrochants ? Quel est le rôle de chaque structure dans la déformation régionale ? Quelle est la relation entre ruptures sismiques et accumulation élastique ?. . . Pour répondre à cette problématique, il est nécessaire d’avoir une approche multidisciplinaire d’analyse de la déformation, aussi bien à court terme qu’à long terme. Deux approches ont donc été utilisées, une première de GPS et une seconde d’identification et de caractérisation des failles actives. Le champ de vitesses GPS a été déterminé à partir de 6 campagnes d’observations d’un réseau de 23 stations situées de part et d’autre des failles actives, réalisées entre 1991 et 2004. Ce champ de vitesses, exprimé dans différents référentiels tectoniquement significatifs nous a permis de contraindre précisément la déformation active à court terme des différents blocs impliqués dans la jonction triple et de déterminer les taux de glissement instantanés sur les failles. Nous avons ensuite identifié et caractérisé les failles actives, par une analyse de la déformation à long terme à l’aide de la reconnaissance géomorphologique du terrain à différentes échelles et d’une analyse détaillée de l’imagerie spatiale et des photographies aériennes, des mesures des déplacements produits par les processus tectoniques et des prospections géophysiques. L’analyse conjointe de ces résultats a permis d’élaborer un modèle cinématique de blocs de la déformation régionale. Ainsi, la complexité tectonique à la jonction triple est basée sur l’existence de blocs tectoniques dont les limites sont formées par les failles actives majeures (c’est-à-dire la FEA, la FMM, la faille sénestre de Karataş – Osmaniye FKO et la faille sénestre de Karasu FK). L’utilisation d’un modèle de dislocation dans un demi-espace élastique, appliqué aux vitesses horizontales GPS, donne un taux de glissement de 9. 7 ± 0. 9 mm/an le long de la FEA, 5. 5 ± 1. 5 mm/an sur la FKO et 2. 5 ± 1. 0 mm/an sur la FK, vitesses en accord avec les taux de glissement à long terme donnés par la géomorphologie et la géologie. Notre étude a ainsi mis en évidence le rôle majeur du bloc anatolien à la jonction et la connexion directe des branches de la FEA (FKO et FK) avec l’Arc de Chypre. Le modèle de déformation proposé ici implique que la vallée de Karasu est liée aux mouvements décrochant sénestre de la FEA et sénestre normal de la FK, avec une composante d’extension estimée par GPS à 1. 0 ± 0. 5 mm/an. Par conséquent, cette vallée constitue un large bassin en pull-apart formé grâce au mouvement vers l’ouest du bloc anatolien et dont la géométrie indique un régime tectonique extensif local pendant le Quaternaire, attesté par les épisodes volcaniques associés. Dans ce contexte, le prolongement vers le sud-ouest de la limite Anatolie – Arabie à la jonction fonctionne comme un système transpressif sénestre, à l’intérieur duquel le large pas sénestre entre la FEA et l’Arc de Chypre forme le bassin en pull-apart de la vallée de Karasu et une déformation associée en transtension.

Of a geodynamic point of view, Turkey is situated at the intersection between three main tectonic plates, the African, Arabian and Eurasian plates and constitutes a tectonic key zone along the Alpine – Himalayan orogenic belt, which extends from Spain to China. Turkey is thus an excellent natural laboratory to study the convergence linked to the collision between these plates and the consequent structures that include fold and thrust belts, active faults and associated basin formations. Three main active faults meet in Turkish Hatay province, the left-lateral East Anatolian Fault Zone (EAFZ), the left-lateral Dead Sea Fault Zone (DSFZ) and the Cyprus Arc, respectively regarded as the Arabia – Anatolia, Arabia – Africa and Africa – Eurasia plate boundaries. Although many studies propose, of a cinematic point of view, that the limit between the Anatolian, Arabian and African plates forms a triple junction in south-eastern Turkey, the fault nature and geometry at this junction remain source of debate, in particular on the establishment of a coherent regional deformation model. Many questions remain unclear, for example: what are the velocities along the three main strike-slip fault systems? What is the role of each structure in the regional deformation? What is the relation between seismic ruptures and elastic accumulation?. . . In order to answer to this problematic, it is necessary to have a multidisciplinary approach of the deformation analysis, as well as in the short term as in the long term. Consequently, two approaches were used, one of GPS and another of identification and characterisation of active faults. Firstly, the GPS-derived velocity field includes data from six campaigns from 1991 to 2004 of a 23 station network located on both sides of active faults. This velocity field, given in different significant tectonic frames, allowed us to precisely constrain the short-term active deformation of the different blocks involved in the triple junction and to determine the instantaneous fault-slip rates. Secondly, we identified and characterised the active faults, by an analysis of the long-term deformation using the geomorphologic field recognition at different scales and a detailed analysis of space images and aerial photos, the displacement measures due to the tectonic processes and geophysical prospecting. The combined result analysis allowed us to elaborate a cinematic block model of the regional deformation. The tectonic complexity at the triple junction is based on the existence of tectonic blocs, whose limits are formed by the main active faults (i. E. The EAFZ, the DSFZ, the left-lateral Karataş – Osmaniye Fault Zone KOFZ and the left-lateral Karasu Fault KF). The use of a dislocation model in an elastic half-space, applied to the horizontal GPS velocities, gave a rate of 9. 7 ± 0. 9 mm/yr for the EAFZ, 5. 5 ± 1. 5 mm/yr for the KOFZ and 2. 5 ± 1. 0 mm/yr for the KF, velocities in agreement with long-term velocities provided by geologic and geomorphologic studies. Our work highlighted thus the major role of the Anatolian block at the junction and the direct connection of the EAFZ branches (KOFZ and KF) with the Cyprus Arc. This deformation model implies that the Karasu Valley is linked to the left-lateral strike-slip motion of the EAFZ and left-lateral and normal motions of the KF, with an extensive component of 1. 0 ± 0. 5 mm/yr estimated by GPS. Consequently, this valley constitutes a large pull-apart basin formed by the western motion of the Anatolian block and whose geometry indicates a local extensive tectonic regime during the Quaternary, which is attested by the associate volcanic episodes. In this context, the south-western continuation of the Anatolia – Arabia boundary at the junction plays as a left-lateral transpressive system, in which the large sinistral step between the EAFZ and the Cyprus Arc constitutes the Karasu Valley pull-apart basin and the associated transtensive deformation.