Segmentation des grands décrochements, du cycle sismique à la déformation long terme, exemple de la faille du levant

The strike-slip fault segmentation, fromseismic cycle to long term deformation. The Levant fault as a test case

• Auteur / Autrice : Marthe Lefèvre
• Direction : Yann Klinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 23/03/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Robin Lacassin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Klinger, Jacques Malavieille, Lucilla Benedetti, Frédéric Herman, Eulàlia‏ Massana Molera, Nadaya Cubas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques Malavieille, Lucilla Benedetti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tectonique

Thermochronologie

Modèles en géologie

Proche-Orient

Failles (géologie)

Paléosismologie

Décrochements (géologie)

Mots clés libres

Segmentation

Faille du Levant

Taux de soulèvement

Modèle analogique

Segmentation

Levant fault

Uplift rate

Analog modeling

Résumé

Les failles décrochantes se caractérisent par des géométries 3D relativement complexes, avec des changements abrupts de structures associés à une segmentation latérale. Ainsi, comprendre comment les failles décrochantes sont segmentées latéralement peut apporter des informations sur la répartition de la déformation et des contraintes le long de ces failles ou encore leur comportement sismique. Dans cette étude nous avons cherché à caractériser ces paramètres pour la faille du Levant. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés au comportement sismique de cette faille au cours des derniers millénaires. Pour cela, nous avons réalisé une tranchée paléosismologique le long de la section sud de la faille où les données sur la sismicité historique restent limitées. Cela nous a permis de proposer un scénario de rupture pour la section entre le golfe d’Aqaba et le Mont Liban (~500 km). Le catalogue obtenu montre que la faille a connu plusieurs crises sismiques d’environ 200 ans, durant lesquelles l’ensemble de la faille rompt en cascade, séparées par des périodes de quiescence d’environ 350-400 ans, suggérant que la sismicité suit un modèle de clustering temporel. Ce catalogue nous a également permis d’estimer le déficit de glissement accumulé au cours des derniers 1600 ans. Ce déficit, est homogène pour toute la section de faille considérée, à 2 m de moyenne, ce qui pourrait suggérer l’imminence d’une crise sismique régionale, puisque que la compensation d’un tel déficit se traduirait par l’occurrence d’un séisme de Mw ~7.2 sur chaque section de faille. Dans une deuxième partie, nous avons étudié la répartition de la déformation à long terme dans une zone présentant une géométrie relativement complexe : le golfe d’Aqaba. Dans cette région, nous avons cartographié à partir de données de terrain et d’images satellites un certain nombre de structures secondaires sur les marges du golfe. Ainsi, même si la faille principale se trouve en mer, une partie de la déformation verticale est accommodée à terre. La confrontation des datations thermochronologiques et cosmogéniques réalisées le long de la côte Est du golfe montre une accélération des taux de soulèvement à partir de 5 Ma, qui est interprétée comme une conséquence de la migration du pôle d’Euler associé à la rotation de la plaque Arabique. Cette migration a favorisé un régime transtensif dans le golfe d’Aqaba, entrainant la réactivation de failles anciennes bordant la plaine côtière. Enfin, afin d’évaluer les mécanismes contrôlant la segmentation des failles décrochantes et leur évolution dans le temps, nous avons réalisé des expériences analogiques en boite à sable. Elles nous ont permis de mettre en avant (1) l’impact majeur de l’épaisseur du matériel cassant sur la longueur des segments et (2) la pérennité de la segmentation des failles décrochantes, puisque la segmentation observée sur le terrain obéit aux mêmes lois d’échelle que la segmentation observée aux stades initiaux de déformation dans les boites à sable

Strike slip faults are characterised by complex 3D geometries, with abrupt structural variations and a high degree of lateral segmentation. Hence, understanding the underlying mechanisms of lateral fault segmentation can shed light on the distribution of deformation and stress along these faults, as well as their seismic behaviour. In this study, we have tried to characterise some of these parameters for the Levant fault. We first investigated the seismic behaviour of this fault over the last few thousand years. To do this we realised a paleoseimological trench along the southern section of the fault, in a region where historical seismic data are limited. This allowed us to propose a rupture scenario for the section running from the Gulf of Aqaba to Mount Lebanon (~500km). The resulting catalogue highlights several seismic crises about 200 years long during which the whole fault ruptures in a cascade, interspaced with quiescent periods of about 350-400 years. This suggests that the seismic behaviour of the fault presents temporal clustering. Our catalogue also allowed for the estimation of the slip deficit accumulated over the last 1600 years in the considered section. This deficit is homogeneous along the fault and relatively high (2 m on average), which could suggest that a seismic crisis could happen over the entire region in a near future, as the compensation of such deficit would require the occurrence of a Mw 7.2 event on each section of the fault. After that we studied the distribution of long-term deformation in a region with a relatively complex geometry: the Gulf of Aqaba. In this region we mapped from field data and satellite images several secondary structures on the margins of the gulf. Indeed, even though the main fault is at sea, part of the vertical deformation is accommodated on land. The confrontation of thermochronological and cosmogenic datations along the eastern coast of the gulf shows an acceleration of the uplift rates. We interpret this as a consequence of the migration of the Euler pole associated with the rotation of the Arabian plaque, 5 ky ago. This migration led to an increase of the transtension in the Gulf of Aqaba, which reactivated ancient faults bordering the coastal plain. Finally, in order to quantify the mechanisms controlling the segmentation of strike slip faults and their temporal evolution, we realised sand box experiments. Our results highlight the importance of the thickness of the brittle material and its impact on the segment lengths. They also show the persistence of strike slip faults segmentation since the segmentation observed in the field obeys the same scaling laws as that observed at the early stages of deformation in sand box experiments