Ce travail de thèse est divisé en deux parties. La première porte sur l'acquisition d'un nouvel enregistrement paléosismologique en Mer de Marmara. Différentes méthodes ont été utilisées afin d'identifier et de caractériser les perturbations sédimentaires associées aux tremblements de terre dans les carottes étudiées. Nous avons cherché à acquérir une compréhension spatio-temporelle des distributions des séismes en mer pour aboutir à une meilleure compréhension du comportement de la Faille Nord Anatolienne sur le long terme. Nous avons par ailleurs cherché à corréler les données de sismicité historique avec de nouvelles données paléosismologiques. Les événements sédimentaires associés aux séismes ont été caractérisés en combinant l'imagerie aux rayons X, des mesures de susceptibilité magnétique, de granulométrie et de composition géochimique. Les données des compositions élémentaires nous ont permis de tracer au travers des différents bassins les changements environnementaux et anthropiques ayant lieu dans la région. L'obtention d'une chronologie robuste dans les carottes a également été recherchée en combinant des datations carbone 14 et des données de 210Pb et 137Cs afin de relier les sismoturbidites à la sismicité historique. Les variations d'aimantation au travers des carottes ont été mesurées dans le but initial de contraindre par une méthode indépendante l'âge des sédiments échantillonnés. Les variations des propriétés magnétiques ont mis en évidence une chute d'aimantation importante que nous avons reliée à des dépôts sapropéliques.La deuxième partie porte sur l'étude géomorphologique du décalage de la rivière Kizilirmak le long du segment central de la Faille Nord Anatolienne. À cet endroit, trois terrasses préservées le long de deux bassins en pull-apart incisés par la rivière Kizilirmak ont été cartographiées. Les résultats principaux de cette étude ont été de contraindre par la méthode des isotopes cosmogéniques 10Be, 26Al et 36Cl l'âge de ces terrasses. Les datations montrent que la terrasse la plus basse est âgée de 6 ka, que la deuxième terrasses est âgée de 50 ka et que la troisième a un âge de 80 ka. Cette dernière montre une contribution importante d'âges jeunes liée à l'érosion du bassin versant situé au-dessus d'elle. Les résultats montrent une origine climatique des terrasses et ont permis d'estimer une vitesse d'incision de la rivière de l'ordre de 3 mm/an depuis le début de l'Holocène.

La mer de Marmara est la clef de voûte d’un système hydrique complexe entre la Méditerranée la mer Noire où l’équilibre des courants a souvent été rompu, lorsque le niveau global des océans passait sous celui des détroits. L’alternance de sédiments lacustres et marins témoigne de ces variations. La mer de Marmara est aussi une structure tectonique active traversée par la branche nord de la faille Nord-Anatolienne. Cette faille décrochante continentale, l’une des plus longues du monde, est régulièrement à l’origine de forts tremblements de terre. Les études scientifiques sont nombreuses à vouloir caractériser le fonctionnement actuel et passé de la faille pour préciser l’aléa sismique auquel Istanbul est exposé. Cette thèse est constituée de deux études qui s’attaquent à cette question.La première est une étude de la géométrie de la croûte basée sur l’analyse d’un modèle 3D construit par inversion de données gravimétriques corrigées de l’influence des bassins sédimentaires. Le modèle permet de quantifier le rôle des contraintes extensives et révèle le rôle de flux ductiles dans l’amincissement de la croûte inférieur étalé au-delà des limites des bassins. La deuxième étude visait à confirmer les modèles d’âges proposés actuellement en mer de Marmara par l’étude direct des sédiments à l’origine des premiers réflecteurs sismiques interprétés. Les méthodes employées vont de la géophysique à la caractérisation paléo-environnementale des dépôts en passant par le paléomagnétisme et la téphrochronologie. Les résultats ont permis de dater précisément le premier réflecteur ainsi que d’en comprendre l’origine. L’âge que nous proposons est plus jeune que ceux déterminés jusqu’alors. / The Marmara Sea is the keystone of a complex hydrological system between the Mediterranean and the Black Sea. There, the balance between inputs and outputs has been disturbed during glacial periods when the global ocean level dropped below the sill depths, isolating the Marmara Sea. The alternation of marine and lacustrine sediments reflects these variations. The Sea of Marmara is also an active tectonic structure cut by the North-Anatolian fault northern branch. The ruptures of this continental dextral transform fault, one of the longest in the world, are regularly causing massive earthquakes. Many scientific studies are aiming at characterizing the fault structure and its functioning in the hope of being able to foresee the next earthquake close to Istanbul. This thesis presents two studies tackling this subject.The first one presents an interpretation of the crust geometry based on the analysis of a 3D crustal model built from the inversion of gravity data corrected from the influence of sedimentary basins. From the model, we quantify the role of extension in the basin opening and show the existence of ductile flows, in the lower crust, that spread the thinning away from the basins. The second study purpose was to confirm or reverse the sedimentary age models available in the Marmara Sea through the direct study of the sediments constituting the first main reflector interpreted in the models. We used a broad range of methods to build a new age model for one core such as geophysics, paleo-magnetism, tephrochronology and a paleo-environmental characterization. The results give a date for the first main reflector that is younger than the one assessed by previous studies.

Le présent travail de thèse aborde la question du couplage entre fluides et déformation en milieu sous-marin, un sujet d'importance dans le domaine des risques, naturels (séismes, glissements de terrain) ou industriels (stabilité des plateformes de forage en mer, par exemple). Trois études de cas sont présentées : les deux premières concernent la Mer de Marmara, en Turquie, une zone fortement exposée au risque sismique, du fait de la proximité de la Faille Nord-Anatolienne ; la troisième concerne une zone pétrolifère offshore, sur la pente continentale du delta profond du Niger. La première étude de cas en Mer de Marmara porte sur l'activité micro-sismique qui caractérise l'escarpement ouest du Bassin de Tekirdag. Notre étude montre que la déformation contribue à maintenir des perméabilités élevées associées au réseau de failles sous l'escarpement, ce qui permet aux fluides de remonter des réservoirs gaziers du Bassin de Thrace jusqu'à la surface. La deuxième étude de cas porte sur des micro-évènements enregistrés par les sismographes de fond de mer, non sismiques, de courtes durées (200 à 600 msec), et caractérisés par des fréquences comprises entre 10 et 30 Hz. Notre étude montre que ces micro-évènements sont liés à des expulsions de gaz. Les OBS fournissent donc des informations inattendues pour l'étude des processus de dégazage naturel en fond de mer. La troisième étude de cas, sur la pente continentale du Nigeria, démontre que la combinaison de piézomètres et d'OBS voisins en fond de mer permet de suivre l'évolution des phases d'accumulation et de vidange de gaz dans les sédiments superficiels. La détection et la surveillance des phénomènes de dégazage naturel en fond de mer est d'une importance qui pourrait s'avérer critique dans les zones d'exploitation pétrolière en domaine offshore. D'une manière générale, ce travail plaide pour la nécessité : i) de disposer de plusieurs réseaux d'observatoires sous-marins câblés en Mer de Marmara et d'un modèle de vitesse-3D rendant compte du fort gradient de vitesses sismiques dans les couches superficielles (la structure de vitesses du domaine sous-marin étant radicalement différente de celle du domaine émergé, la combinaison des données sismologiques à terre et en mer s'avère très difficile); ii) de développer des approches de surveillance multi-paramètres. Pour chaque paramètre, il est nécessaire de connaître la variabilité naturelle "normale", de manière à détecter les variations anormales. La recherche sur les processus physiques et le développement algorithmique doivent être conduits de front.

Cette thèse porte sur la déformation et les migrations de fluides associées à la Faille Nord Anatolienne en Mer de Marmara (Turquie).Nous étudions tout d'abord l'évolution de la géométrie et du taux de glissement du système de faille, par deux approches indépendantes: - modélisation thermique de l'histoire d'un bassin, - définition d'un marqueur temporel de type Dépôt de Transport en Masse, daté par interprétation stratigraphique. Nous montrons que: -(1) le système de failles actuel, défini comme une faille principale accommodant la majorité de la déformation inter-plaque, n'a pas significativement évolué depuis 330.000 ± 100.000 ans dans la partie Ouest de la mer; -(2) le système de faille s'est progressivement réorganisé depuis 2.5-1.5 Ma.Dans un deuxième temps, nous étudions les processus d'initiation des Transports en Masse. Nous montrons que: -(1) même si les Transports en Masse sont contrôlés par des processus tectoniques (principalement les séismes et l'extension crustale), leur fréquence et leur taille sont conditionnées par les oscillations glacio-eustatiques; -(2) des Dépôts en Masse ont une périodicité corrélée aux transitions marins/lacustres. Cette cyclicité peut être expliquée par la diffusion d'eau saumâtre, dans les argiles marines entraînant leur gonflement et déstabilisant les sédiments. Dans une troisième partie, nous étudions la diversité des contextes des sites d'émissions de fluides en fonds de mer. Nous montrons que l'occurrence des sites d'émission de fluides est en partie liée au flux ascendant de gaz le long de couches perméables des bassins vers leurs bords, et le long des fractures du socle vers les bords des bassins et les anticlinaux. / This study addresses the issue on the deformation and the fluid migration, associated to the North Anatolian Fault within the Sea of Marmara (Turkey).First, we aim to constrain the evolution of the fault network and the slip rate through time, by two independent approaches: - historical thermal modeling of a basin of the Sea of Marmara; - definition of a Mass Transport Deposit as a fault lateral slip marker, and dated by stratigraphic interpretation. We show that: - (1) the present day fault system, formed by a main fault which accommodated the main part of the inter-plate deformation does not significantly evolved since 330.000 ± 100.000 years - (2) a progressive reorganization of the fault network occurred since the last 2.5-1.5 Ma.Secondly, we discuss the triggers of Mass Transport Processes. We show that: - (1) despite submarine mass movements are related to tectonic activity (mainly earthquakes and crustal stretching), their frequency and their size are also modulated by glacio-eustatic changes; -(2) remarkable Mass Transport Deposits display some cyclicity in stratigraphic sequences which are apparently correlated to transitions between salty marine and lacustrine environments. This cyclicity is perhaps explained by marine clay activity (swelling) under low brackish-fresh water conditions, which can trigger sediment destabilization.Third, we investigate the diversity of active fluid seepages contexts. We propose that the widespread occurrence of fluid expulsion sites can be explained by up-dip gas migration by buoyancy along permeable strata toward their edges, and along fractures within the basement toward both the edges of the basins and topographic highs.

Ce travail de thèse est divisé en deux parties. La première porte sur l'acquisition d'un nouvel enregistrement paléosismologique en Mer de Marmara. Différentes méthodes ont été utilisées afin d'identifier et de caractériser les perturbations sédimentaires associées aux tremblements de terre dans les carottes étudiées. Nous avons cherché à acquérir une compréhension spatio-temporelle des distributions des séismes en mer pour aboutir à une meilleure compréhension du comportement de la Faille Nord Anatolienne sur le long terme. Nous avons par ailleurs cherché à corréler les données de sismicité historique avec de nouvelles données paléosismologiques. Les événements sédimentaires associés aux séismes ont été caractérisés en combinant l'imagerie aux rayons X, des mesures de susceptibilité magnétique, de granulométrie et de composition géochimique. Les données des compositions élémentaires nous ont permis de tracer au travers des différents bassins les changements environnementaux et anthropiques ayant lieu dans la région. L’obtention d’une chronologie robuste dans les carottes a également été recherchée en combinant des datations carbone 14 et des données de 210Pb et 137Cs afin de relier les sismoturbidites à la sismicité historique. Les variations d'aimantation au travers des carottes ont été mesurées dans le but initial de contraindre par une méthode indépendante l'âge des sédiments échantillonnés. Les variations des propriétés magnétiques ont mis en évidence une chute d'aimantation importante que nous avons reliée à des dépôts sapropéliques.La deuxième partie porte sur l’étude géomorphologique du décalage de la rivière Kizilirmak le long du segment central de la Faille Nord Anatolienne. À cet endroit, trois terrasses préservées le long de deux bassins en pull-apart incisés par la rivière Kizilirmak ont été cartographiées. Les résultats principaux de cette étude ont été de contraindre par la méthode des isotopes cosmogéniques 10Be, 26Al et 36Cl l'âge de ces terrasses. Les datations montrent que la terrasse la plus basse est âgée de 6 ka, que la deuxième terrasses est âgée de 50 ka et que la troisième a un âge de 80 ka. Cette dernière montre une contribution importante d'âges jeunes liée à l'érosion du bassin versant situé au-dessus d'elle. Les résultats montrent une origine climatique des terrasses et ont permis d'estimer une vitesse d'incision de la rivière de l'ordre de 3 mm/an depuis le début de l'Holocène. / This PhD work is divided in two parts. The first part focuses on obtaining a new paleoseismological record of earthquakes in the Marmara Sea (West of Turkey) using different analysis to pinpoint and characterize earthquake-related sedimentary disturbance in the studied cores. We seek to provide a spatio-temporal understanding of earthquakes in the Marmara Sea allowing greater insight into long-term fault behaviour and seismic interaction by integrating historical and new paleosismological data (recurrence rate in the Sea of Marmara). We characterized earthquake-related sedimentary events by combining X-ray imagery, magnetic susceptibility, granulometry and XRF (chemical analyses) measurements. Geochemistry data also allowed us to trace between basin anthropogenic and environmental changes occurring in the Marmara Sea. We also aim at establishing a reliable and robust chronology of the cores combining radiocarbon dating (bulk sedimentation, foraminifers, shelves), 210Pb and 137Cs data to connect seismoturbidites to historical seismicity. Magnetic variations were also recorded in the cores to obtain a time constrain for the cores. The down-core changes in magnetic properties suggest taking into account possible delays in the acquisition of magnetization and have been correlated to lower sapropelic layers in the Marmara Sea.The second part deals with geomorphology and tectonic in the central part of the North Anatolian Fault situated in Turkey. There, three terraces preserved in two pull-apart and incised by the longest river in Turkey (the Kizilirmak River) are mapped. The main results of this work are several constraints on the ages of the terraces using 10Be, 26Al and 36Cl cosmogenic dating methods. The obtained in situ cosmogenic 36Cl exposure ages calculated are 6 ka for the lowest terrace, 50ka for the middle terrace, and 80ka for the highest terrace in the areas preserved from erosion. The highest terrace shows a contribution of younger ages due to erosion of the nearby limestone catchment. The obtained results imply a climatic origin of the terraces, and a mean incision rate of about 3 mm/yr since the early Holocene along the Kizilirmak River.