Modélisation structurale de la zone cénozoique complexe du bassin du Levant offshore Liban

Structural modelling of the complex Cenozoic zone of the Levant Basin offshore Lebanon

• Auteur / Autrice : Ramadan Ghalayini
• Direction : Jean-Marc Daniel, Catherine Homberg, Fadi-Henry Fader
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géoscience
• Date : Soutenance le 09/07/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Barrier, Sylvie Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Frizon de Lamotte, Olivier Dauteuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Sismologie

Proche-Orient

Failles normales

Mots clés libres

Levant

Failles normales

Sismique 3D

Modélisation analogique

Transpression

Réactivation de failles

Levant Basin

Transpression

Résumé

Le bassin de Levant, localisé à l’extrémité la plus orientale de la Méditerranée, se situe à jonction de trois plaques tectoniques majeures (Afrique, Arabie, Eurasie ainsi que la microplaque Anatolienne). Il est bordé à l’Est par la faille du Levant (frontière Arabie/Afrique), qui représente un système transformant de 1000 km de long, reliant le rift dans la Mer Rouge au sud avec la zone de convergence le long du Taurus au nord (frontière Arabie/Eurasie). Son extrémité nord est marquée par la frontière convergente Afrique/Anatolie soulignée par l’arc de Chypre. Le bassin Levantin a enregistré l’interaction entre ces différentes plaques au cours du Cénozoïque et sa bordure Est a été en particulier déformée par la mise en place de la faille du Levant. Cette limite de plaque majeure est marquée au Liban par un relais compressif qui a été actif depuis la fin du Miocène. Jusque récemment, l’absence de données sismiques dans la partie centrale du bassin levantin (offshore Liban) a constitué un handicap important dans la caractérisation de ce basin. Dans ce secteur, la géométrie, cinématique, l’âge des structures tectoniques ne sont pas connus. Plusieurs questions en découlent. Quel est impact de la frontière transformante du Levant sur la structure du bassin? Le bassin a-t-il enregistré d’autres déformations au cours du Cénozoïque ? Quel est l’effet de la structuration ancienne et profonde de la marge sur la déformation actuelle ? Ce travail s’est appuyé sur l’interprétation des données sismiques 2D et 3D de haute qualité dont deux cubes 3D de 4290 m3 et sept lignes 2D de 830 km de long. Cette étude a permis d’identifier les structures tectoniques affectant le secteur offshore Libanais et de caractériser leurs origines. Plusieurs familles de failles tout au long de la marge Est du bassin ont été identifiées et témoigne d’une histoire tectonique méso-cénozoïque longue et complexe. Les structures reconnues sont tout d’abord (1) des failles chevauchantes NNE-SSW actives depuis le début du Tertiaire jusqu’à la fin Miocène, (2) des anticlinaux NNE-SSW formés durant le Miocène supérieur et se localisant sur des structures préexistantes et (3) des failles décrochantes dextres, héritées des structures mésozoïques et réactivées durant le Miocène supérieur. Seules les failles décrochantes dextres montrent des preuves d’une activité actuelle, liée à la transpression au long de la faille du Levant. Ces structures constituent le prolongement vers l’ouest de la frontière de plaque du Levant sous un régime transpressif et une compression NW-SE. Nous mettons en évidence que cette frontière de plaque montre une évolution au cours du Néogène avec une forte décroissance de la composante de raccourcissement à partir du Pliocène. La mise en évidence de jeux plus anciens témoigne d’une structuration profonde E-W de la marge, vraisemblablement héritée des tectoniques mésozoïques. L’impact de cette structuration a été évalué à travers une modélisation analogique. Les résultats démontrent le rôle considérable de cet héritage sur l’évolution du relais compressif de la faille du Levant au Liban, entre autre en localisant la déformation le long de couloirs E-W et en segmentant les structures transpressives NNE-SSW. Ces résultats nous conduisent à interpréter les structures E-W comme majeures et traduisant la prolongation vers l’ouest du bassin mésozoïque des Palmyrides. Nous mettons ici en évidence le rôle majeure d’une marge sur la structure d’une frontière de plaques transformante. Le développement de failles antithétiques (failles dextres dans une frontière transformante senestre), connus dans d’autres frontières de ce type, est ici clairement associé à une anisotropie profonde forçant la localisation de la déformation.

The Levant Basin is located at the easternmost Mediterranean at the intersection of three major tectonic plates (Africa, Arabia, Eurasia and the smaller Anatolian microplate). The Levant Fracture System (Arabia-Africa plate boundary) borders the basin to its east and represents a 1000 km long left-lateral transform system linking rifting in the Red Sea with plate convergence along the Taurus Mountains (Arabia-Eurasia plate boundary). The Levant Basin is bordered to the north by the Cyprus Arc (Africa-Eurasia plate boundary). The interaction between these tectonic plates had important consequences on the evolution of the Levant Basin whereby its eastern boundary has been affected by deformation along the Levant Fracture System. This major plate boundary is associated with a restraining bend in Lebanon and has been active since the Late Miocene. Until recent days, the absence of seismic data in the central Levant Basin was an obstacle against characterizing the tectonic setting of the basin. In this area, the geometry, kinematics and the age of the tectonic structures are poorly understood. A focal question thus remains on how the Levant Basin was affected by this adjacent plate boundary. Therefore, what is the impact of the deformation along the Levant Fracture System since the Late Miocene on this basin and how can we assess it? Has the latter been affected by other tectonic regimes prior to the onset of transpression? If so, how would the existing structures influence the style of modern deformation? In this study, high quality 2D and 3D seismic reflection data (with two 4290 m3 3D seismic cubes and seven 830 km long 2D seismic lines) were interpreted allowing identification and timing of the structures in the Levant Basin offshore Lebanon. Several fault families, mapped along the margin, are remnants of a lasting and complex tectonic history since Mesozoic times. These include NNE-SSW striking thrust faults active during the early Tertiary and inactive since the Pliocene; NNE-SSW striking anticlines folded during the Late Miocene and overlying pre-existing structuresd; and ENE-WSW striking dextral strike-slip faults inherited from Mesozoic times and reactivated during the Late Miocene. Only the dextral strike-slip faults show evidence of current activity and are interpreted to be linked to transpression along the Levant Fracture System. They constitute the westward extension of the plate boundary, formed under a transpressif regime and a NW-SE compression. We have showed how this plate boundary has evolved through the Neogene with a decrease in the shortening component during the Pliocene.The identification of pre-existing structures along the eastern Levant margin shed the light on the deep structuration affecting this area, inherited from Mesozoic tectonic events. The impact of these structures was tested through analogue modeling. Results indicated a considerable impact of pre-existing structures on the development of the restraining bend, localizing deformation at the onset of transpression and responsible of segmenting the restraining bend along an ENE direction. These ENE-WSW faults are thus major and are most likely associated with the deformation affecting the Palmyra basin since the Mesozoic, which is thus extending westward to Lebanon. This study has shown the important role of a margin on a strike-slip plate boundary. Namely, the development of antithetic faults (local dextral strike-slip faults in a regional sinistral strike-slip plate boundary) known in other similar plate boundaries is associated with a deep crustal anisotropy localizing the subsequent deformation.