Interplay between creep/aseismic deformation, earthquakes and fluids in fault zones, with a special emphasis on the North Anatolian fault zone, Turkey

par Maor Kaduri

Thèse de doctorat en Terre Solide

Le président du jury était Renaud Toussaint.

Les rapporteurs étaient Renée Heilbronner, Daniel Koehn.

  • Titre traduit

    Interactions entre déformations sismiques et asismiques, séismes et fluides dans les zones de faille. Application à la faille Nord Anatolienne (Turquie


  • Résumé

    Le fluage asismique des failles dans la croûte supérieure est un mécanisme de déformation crucial le long des limites des plaques tectoniques. Il contribue au bilan énergétique du cycle sismique, retardant ou déclenchant le développement des grands tremblements de terre. Un enjeu majeur est de comprendre quels sont les paramètres qui contrôlent la partition entre déformations sismiques et asismiques dans les failles actives tels que la lithologie ou les transformations sous contrainte à toutes échelles et comment cette partition évolue dans le temps. Des observations géologiques réalisées dans ce travail le long de la Faille Nord Anatolienne en Turquie, combinées à des analyses de laboratoire et des traitements d’images, permettent de donner un éclairage nouveau sur ces mécanismes de fluage. En plus, les relations entre déformation finie et transfert de matière ont été utilisées en parallèle avec des données géodésiques pour comprendre l’évolution de ces mécanismes de fluage depuis le début du déplacement de cette faille.Une corrélation claire est observée entre fluage superficiel et composition des gouges de la faille : les segments sismiques sont composés de calcaires massifs sans gouge de faille argileuse alors que les segments asismiques qui fluent comprennent des gouges argileuses résultant de la transformation progressive de roches volcaniques. Dans ces zones de fluage une schistosité espacée se développe durant le premier stade de la déformation conduisant à un litage tectonique de type foliation, au début oblique puis subparallèle à la faille, qui accommode une part de la déformation asismique par dissolution cristallisation sous contrainte. En conséquence, les minéraux solubles comme le quartz et les feldspaths sont dissous conduisant à la concentration passive des phyllosilicates dans les gouges de failles qui sont ensuite altérés par des circulations de fluides produisant des minéraux argileux à faible friction. Dans le même temps les zones endommagées autour de la gouge sont fracturées et les fractures scellées par des carbonates. Ces transformations minérales et structurales amollissent les gouges de failles et durcissent les zones endommagées conduisant à une évolution de la déformation sismique – asismique de diffuse à localisée.Des modèles qui intègrent déformation finie et transfert de matière révèlent deux échelles d’espace de la déformation qui correspondent à une alternance de deux types de bandes de cisaillement avec une schistosité soit oblique soit subparallèle à la faille. Diverses valeurs de la déformation finie ont été estimées pour calculer la proportion de déplacement asismique par rapport au déplacement total sismique et asismique de la faille (80 km). Cette proportion qui dépend de la lithologie de la zone de faille varie de 0.002% dans les zones sismiques calcaires et évolue dans le temps dans les zones asismiques des roches volcaniques de 59% pour les stades précoces à 18% pour les stages récents.


  • Résumé

    Aseismic fault creep in the upper crust is a key deformation process along tectonic plate boundaries. It contributes to the energy budget during the seismic cycle, delaying or triggering the occurrence of large earthquakes. One of the greatest challenges is to understand which parameters control the partition between seismic and aseismic deformation in active faults, such as lithology or stress-driven transformations at all scales and how this partition evolves with time. Geological observations along the North Anatolian Fault in Turkey combined with laboratory analyses and imaging techniques performed in the present study shed new light on these mechanisms of fault creep. Moreover, the relationship between finite strain and mass change was compared with geodesy data in order to understand the evolution of these creep mechanisms since the beginning of this fault displacement.A clear correlation is shown between shallow creep and near-surface fault gouge composition: seismic segments of the fault are mostly composed of massive limestone without clay gouges, whereas aseismic creeping segments comprising clay gouges result from a progressive change of volcanic rocks. Within these creeping zones, anastomosing cleavage develops during the first stage of deformation, leading to tectonic layering that forms a foliation, oblique at first and then sub-parallel to the fault. This foliation accommodates part of the aseismic creep by pressure solution. Consequently, the soluble minerals such as quartz and feldspars are dissolved, leading to the passive concentration of phyllosilicates in the gouges where alteration transformations by fluid flow produce low friction clay minerals. At the same time damage zones are fractured and fractures are sealed by carbonates. As a result, these mineralogical and structural transformations weaken the gouge and strengthen the damage zone leading to the change from diffuse to localized seismic-aseismic zones.Models integrating finite strain and mass change reveal two spatial scales of strain that correspond to the alternation of two types of shear bands, with cleavages oriented either oblique or sub-parallel to the fault zone. Various total strain values were estimated in order to calculate the aseismic part of the total 80 km displacement along the locked and creeping sections. The aseismic strain fraction of the total tectonic strain in the fault depends on the fault lithology and varies from 0.002% in seismic zones made of limestone and evolves with time in the creeping zones made of volcanic rocks from 59% in the early stages of fault development to 18% in the recent times.


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