D’importantes découvertes de gaz ont été faites récemment en Méditerranée orientale (www.nobleenergyinc.com), incitant les compagnies pétrolières à s’intéresser de plus près au bassin du Levant, considéré aujourd’hui comme une véritable province pétrolière. Par conséquent, une quantité considérable de données géophysiques a été produite et une série d'études académiques et industrielles ont été réalisées. La compréhension de l’architecture crustale et sédimentaire associée à celle de la thermicité actuelle et passée des marges de ce bassin, notamment la marge continentale du Liban, présente des enjeux industriels et scientifiques majeurs. Cette question a des implications majeures pour l'évolution tectonique, les prévisions des tremblements de terre ainsi que celle des systèmes pétroliers. Malgré les différents travaux géophysiques menés sur la Méditerranée orientale ces dernières années, la configuration crustale profonde du bassin du Levant, connu pour avoir été le siège d’un rifting à la fin du Paléozoïque et au début du Mésozoïque, reste imprécise. La transition d’une croûte continentale épaisse vers une croûte atténuée en mer (peut-être même une croûte océanique) a été invoquée, mais pas encore prouvée. Des approches géophysiques intégrées ainsi qu’un travail de modélisation ont été utilisés dans cette thèse pour étudier la structure profonde de la lithosphère sous la région Est de la Méditerranée.Une modélisation crustale 2D à l’échelle régionale (du delta du Nil au sud à la Turquie au nord, et du bassin Hérodote à l’ouest à la plaque arabe à l’est) a été effectuée dans le but d’étudier l’architecture de la croûte dans cette partie de la méditerranée orientale. L’algorithme utilisé est une méthode d’essai-erreur qui fournit l’épaisseur crustale et la profondeur de la limite lithosphère- asthénosphère (LAB) ainsi que la distribution de la densité crustale par l’intégration du flux de chaleur surfacique, l’anomalie gravimétrique à l’air libre, les données du géoïde et la topographie. La profondeur du Moho et l’épaisseur de la croûte ont été contraintes localement par des données de sismique réfraction là où elles sont disponibles. Les résultats montrent une croûte cristalline progressivement atténuée dans une direction EW. Dans le bassin du Levant, la croûte est interprétée comme continentale et composée de deux croûtes distinctes, une supérieure et une inférieure, contrairement au bassin Hérodote qui repose sur une croûte mince, probablement océanique.Une inversion 3D jointe des données de gravité, du géoïde et de la topographie appliquée sur la même région a confirmé les résultats de la modélisation crustale 2D. A total of 168 simulations ont été réalisées, parmi lesquelles, la simulation avec les erreurs les moins grandes sur les données correspond à l’inversion d’un modèle dans lequel la profondeur du Moho varie entre 23 et 26 km dans le bassin du Levant et devient plus profond dans le bassin Hérodote et aux larges des côtes africaines. La profondeur de la LAB est située entre 100 et 150 km dans le bassin du Levant et atteint plus de 180 km dans le bassin Hérodotes. L’interprétation de cinq lignes de sismique réflexion 2D PSTM à 14 s TWT couvrant la partie nord du bassin du Levant a révélé un total de 10 horizons, dont le plus profond pourrait être une interface croûte-manteau. L’interprétation des paquets sismiques, leurs surfaces de raccord ainsi que l’analyse des facies ont été contraints par les interprétations sismiques 2D publiées de la partie nord de l’offshore Libanais (Hawie et al., 2013b), dans lesquelles les connaissances stratigraphiques et sédimentologiques récentes de la marge libanaise ont été extrapolées jusqu’au bassin. Un total de huit paquets sédimentaires a été identifié dans le bassin aux âges variant du Jurassique Moyen au Quaternaire. / Significant gas discoveries have been made recently in the Eastern Mediterranean (www.nobleenergyinc.com), which turned the attention of oil companies towards the Levant Basin. This region is considered today as a typical hydrocarbon frontier province. Hence, a considerable amount of geophysical data has been produced and a series of academic and industry-based studies have been performed. Understanding the crustal and sedimentary architecture, the actual and past thermicity of this basin, in particular on the Lebanese continental margin, has major academic and economic interests. This has important implications on understanding tectonic evolution and earthquakes generation and on assessing petroleum systems. Despite numerous old and recent geophysical studies in this region, the deep crustal configuration of the Levant Basin, known to be the site of rifting in the Late Paleozoic and Early Mesozoic, remains enigmatic. The transition from a typical thick continental crust to thinner attenuated crust offshore (possibly even oceanic crust) has been invoked, but not yet proven. Integrated geophysical approaches and modeling techniques are used in this thesis to study the deep structure of the lithosphere underlying the easternmost Mediterranean region.A 2D modeling approach was accomplished at a regional scale (1000x1000 km2) extending from the Nile delta in the south, to Turkey in the north, from the Herodotus Basin in the west to the Arabian plate in the east. The algorithm used is a trial and error method that delivers the crustal thickness and the depth of the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) as well as the crustal density distribution by integrating top basement heat flow data, free-air gravity anomaly, Geoid and topography data. Moho depth and crustal thickness were locally constrained by refraction data where available. Three models are presented, two in EW direction (580 and 650 km long) and one in SN direction (570 km long). The models in EW sections show a progressively attenuated crystalline crust from E to W (35 to 8 km). The SN section presents a 12 km thick crust to the south, thinning to 9-7 km towards the Lebanese offshore and reaching 20 km in the north. The crystalline crust is best interpreted as a strongly thinned continental crust under the Levant Basin, represented by two distinct components, an upper and a lower crust. The Herodotus Basin, however, shows a very thin crystalline crust, likely oceanic, with a thickness between 6 and 10 km. The Moho under the Arabian plate is 35-40 km deep and becomes shallower towards the Mediterranean coast. Within the Levant Basin, the Moho appears to be situated between 20 and 23 km, reaching 26 km in the Herodotus Basin. While depth to LAB is around 110 km under the Arabian and the Eurasian plates, it is about 150 km under the Levant Basin and plunges finally to 180 km under the Herodotus Basin.A 3D joint inversion of gravity, geoid and topography data applied on the same region confirmed the results of the 2D modeling. A total of 168 of simulations were run, among which the simulation with the minimal data misfits corresponds to a model where the Moho depth varies between 23 and 26 km in the Levant Basin and becomes deeper in the Herodotus Basin and off the African coast. The LAB is 100 to 150 km deep in the Levant Basin and deepens to more than 180 km in the Herodotus Basin.

En Méditerranée orientale, l’arc de Chypre est une frontière géologique majeure où interagissent les plaques Arabie, Afrique, Eurasie et la microplaque anatolienne. Il constitue la limite Nord du bassin du Levant (croûte continentale amincie étirée) et du bassin d’Hérodote (croûte océanique). L’arc de Chypre est directement lié à la convergence vers le Nord de la plaque Africaine sur la plaque Eurasienne depuis la fin du Crétacé. Dans la région Egéenne, l’indentation de la plaque Arabique sur la partie orientale de la plaque Anatolienne d’une part, et l’effet « roll back » du plan de subduction africain dans la partie occidentale de la plaque Anatolienne d’autre part, ont pour conséquence l’expulsion de l’Anatolie depuis la fin du Miocène à aujourd’hui, ce qui se traduit par un décrochement le long de l’arc de Chypre, se prolongeant sur l’île de Chypre. Plusieurs questions scientifiques concernant le cadre géologique de la région ont été étudiées au cours de ce projet. Comment la déformation est-elle intégrée dans le système de l'Arc de Chypre ? La variation crustale de chaque domaine affecte-t-elle le style de déformation ? Comment cette déformation est-elle enregistrée dans les sédiments de l’île de Chypre ? Comment ces déformations (Onshore / Offshore) peuvent être connectées au contexte géodynamique régional ? Afin de répondre à ces questions scientifiques, des données sismiques de réflexion 2D ont été utilisées, et ont permis d’imager les structures principales et leur évolution spatiale dans les parties Sud et Orientale de Chypre. L'interprétation de ces données conduit à l'identification de neuf unités tectono-sédimentaires dans trois différents domaines de la croûte crustale au sud du système de l'Arc chypriote: (1) le bassin du Levant (croûte continentale amincie), (2) le micro-continent d'Eratosthène (croûte continentale) et (3) le bassin d'Hérodote (croûte océanique). Dans ces domaines, de nombreuses structures tectoniques ont été documentées et analysées afin de comprendre le mécanisme et le timing de la déformation. À la limite nord du domaine du bassin du Levant, des accidents majeures chevauchants vers le Sud ont été documentés dans le bassin de Chypre, commençant au début du Miocène et enregistrés par les failles de Larnaca et de Margat. La faille Latakia n’a quant à elle enregistré aucune activité pendant cette période. L'apogée de la déformation s'est produite du Miocène moyen jusqu’à la fin du Miocene, l'activité de la faille de Latakia indiquant la propagation vers le Sud du front de déformation. Cette migration vers le sud a été documentée à partir du développement de bassins flexuraux et des chevauchements stratigraphiques dans le bassin de Chypre. Les pulses tectoniques successifs depuis la fin du Miocène jusqu’à aujourd’hui, sont indiquées par les discordances angulaires et les bassins piggy back. Pendant la période Plio-Pléistocène, l’expulsion vers l'ouest de la microplaque anatolienne a entraîné la réactivation des structures existantes. L'évolution de la déformation le long de la limite de la plaque est identifiée à partir de la création de structures en fleur positives révélant des mouvements transpressifs le long des failles Larnaca et Latakia (domaines orientaux). Le domaine central comprend le mont sous-marin d'Eratosthène qui se caractérise comme une plate-forme carbonatée mésozoïque recouverte d'une mince séquence sédimentaire allant des dépôts Messinien aux dépôts Pléistocène. / The Cyprus Arc system is major plate boundary of the Eastern Mediterranean where different plates interact, namely Arabia, Africa, Eurasia, as well as the Anatolian micro-plate. It constitutes the northern boundary of the Levant Basin (of thin stretched continental crust) and the Herodotus Basin (of oceanic crust). The Cyprus Arc is directly linked with the northward convergence of the African continental plate with respect to the Eurasian continental plate since Late Cretaceous time. The indentation of the Arabian plate and the slab pull effect of the African plate roll back in the Aegean region on the eastern and western part of the Anatolian plate respectively, leads to the westward escape of Anatolia from Late Miocene to Recent, which results in a strike-slip component along the Cyprus Arc system and onshore Cyprus. Several scientific questions with regard to the geological setting of the region were investigated during this project. How is the deformation accommodated at the Cyprus Arc system? Is this deformation style affected by the variation of the crustal nature at each domain? How is this deformation recorded on the sedimentary pile onshore Cyprus? How does the onshore and offshore deformation connect within the geodynamic context of the region? In order to answer these scientific questions, 2D reflection seismic data were utilized, that image the main plate structures and their lateral evolution south and east of Cyprus. Interpretation of these data lead to the identification of nine tectono-sedimentary packages in three different crustal domains south of the Cyprus Arc system: (1) The Levant Basin (attenuated continental crust), (2) The Eratosthenes micro-continent (continental crust) and (3) The Herodotus Basin (oceanic crust). Within these domains, numerous tectonic structures were documented and analysed in order to understand the mechanism and timing of deformation. At the northern boundary of the Levant Basin domain, thrust faults verging towards the south were documented in the Cyprus Basin with the thrust movement commencing in Early Miocene time as indicated by on the Larnaca and Margat Ridges. On the Latakia Ridge no activity was identified during this time interval. The acme of deformation occurred in Middle to Late Miocene time, with the activity of the Latakia Ridge indicating the forward propagation of the deformation front towards the south. This southward migration was documented from the development of flexural basins and from stratigraphic onlaps in the Cyprus Basin. Successive tectonic pulses through the Late Miocene until Recent times, are indicated from the angular unconformities and the piggy back basins. In Plio-Pleistocene time, the westward escape of the Anatolian micro-plate resulted in the reactivation of existing structures. The evolution of deformation along the plate boundary is identified from the creation of positive flower structures revealing transpressive movements along the Larnaca and Latakia Ridges (eastern domains). The central domain includes the Eratosthenes Seamount which is characterized as a Mesozoic carbonate platform covered by a thin sequence of sediments ranging from Miocene-Messinian to Pliocene-Pleistocene depositions.

La Méditerranée orientale doit sa complexité aux mouvements tectoniques des plaques Africaines, d’Arabie et d'Eurasie. Les récentes découvertes pétrolières du bassin Levantin (2009) renforcent la nécessité d’une approche combinée sismique/terrain pour comprendre l’évolution de son remplissage. L’intégration des données de sismique 2D et des données de terrain a permis de proposer des modèles conceptuels 3D qui, couplées aux données de puits, ont permis de définir les sources sédiementaires et les principales phases de remplissages correspondantes aux grands évènements géodynamiques. Ainsi l’évolution du bassin du Levan est marquée par la transition d’une sédimentation carbonate vers une sédimentation mixte (silicoclatisque/carbonaté) au cours du Crétacé. Seul le mont Ératosthène, situé sur une tête de bloc basculé hérité du rifting thétysien, conserve une sédimentation carbonatée superficielle jusqu’au Crétacé supérieur, liée à sa distance des sources silicoclastiques. Celui-ci présente 4 séquences de sédimentation carbonatée alternant superficielle et profonde: La fin du Jurassique moyen, le Crétacé inférieur, le Crétacé supérieur suivie et le Miocène. L'amorce de la collision Miocène en les plaques Eurasienne et Africaine coïncide avec le soulèvement d'Eratosthène avec une phase paroxysmique au cours du Miocène supérieur suivi par son basculement vers le nord en avant de l’ile de Chypre. Nous montrons que la collision a provoqué la formation de petits bassins au sud de Chypre ; un bassin piggyback (Polis Basin) et un bassin flexural (bassin de Limassol) ; contrôlés par la distribution des sédiments mésozoïques. / The Eastern Mediterranean owes its complex nature to the movement of Africa, Arabia and Eurasia. The recent gas discoveries in the Levant Basin (2009) provoked the necessity of necessity of conducting a combined (seismic and field) study to better understand the geological evolution of the Basin. The combination of geophysical and field data allows the conceptualization of onshore and, offshore 3D models in order to characterize the tectonostratigraphic evolution of this area and eventually trace the main sources and pathways that contributed to the infilling of the Levant Basin. The evolution of the Levant Basin is marked by the transition from a pure carbonate system to a mix system (carbonate /siliciclastic) during the Cenozoic. The Eratosthenes block corresponds to a fault block platform. Four major seismic sequences, characterized by periods of aggradation, retrogradation and progradation, punctuated by major unconformities and drowning surfaces have been recognized on the Eratosthenes Seamount. These periods are: the Late Jurassic; the Early Cretaceous, the Late Cretaceous and the Miocene. The initiation of the collision during the Miocene between the African and Eurasian plates coincides with the uplift of the Eratosthenes Seamount with a peak during the upper Miocene (pre-Messinian Salinity Crisis) followed by its northward tilting under Cyprus thrusting. We show that the collision of the two plates caused the formation of small basins in southern part of Cyprus; a piggyback basin (Polis), and a flexural basin (Limassol) that were controlled by the different substratum of the Mesozoic sediments.