Ophiolites - thrust sheets of oceanic lithosphere that have been emplaced onto the continental margin - provide the opportunity to explore the structure and genesis of oceanic crust. As many ophiolites formed above subduction zones, they also allow for the investigation of mantle wedge and subduction interface processes. This the- sis examines the Oman-United Arab Emirates (UAE) ophiolite, which is the largest and most intensely studied ophiolite on Earth. Three distinct problems are addressed. (1) Recent research has proposed that the architecture and tectonic evolution of the ophiolite in the UAE differs from in Oman. In Chapter 2, I test this hypothesis by integrating new geological mapping and field observations with previously published maps of the ophiolite in the UAE. My results indicate that the ophiolite is gently folded, but otherwise largely intact. I demonstrate that the architecture of the ophi- olite in the UAE is not significantly different from in Oman. Thus, there is no basis for a different tectonic evolution as recently proposed. (2) Observations from exper- iments and small-scale natural shear zones indicate that volumetrically-minor phases can control strain localization. In Chapter 3, I test the hypothesis that minor phases control strain-localisation at plate boundaries. To do so, I analyzed peridotites from the base of the ophiolite, a palaeosubduction interface. My results demonstrate that minor phases limited olivine grain growth, which led to rheological weakening. (3) The mechanisms by which metamorphic soles detached from the downgoing slab and accreted to the hanging-wall mantle is unclear. In Chapter 4, I examine a transect across the metamorphic sole in the UAE. My results reveal that granulite formation was more extensive than is typically considered. I propose that granulite formation resulted in rheological strengthening, which caused the subduction interface to migrate into the downgoing slab and accrete the metamorphic sole.

abstract: The movement between tectonic plates is accommodated through brittle (elastic) displacement on the plate boundary faults and ductile permanent deformation on the fault borderland. The elastic displacement along the fault can occur in the form of either large seismic events or aseismic slip, known as fault creep. Fault creep mainly occurs at the deep ductile portion of the crust, where the temperature is high. Nonetheless, aseismic creep can also occur on the shallow brittle portion of the fault segments that are characterized by frictionally weak material, elevated pore fluid pressure, or geometrical complexity. Creeping segments are assumed to safely release the accumulated strain(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992) on the fault and also impede propagation of the seismic rupture. The rate of aseismic slip on creeping faults, however, might not be steady in time and instead consist of successive periods of acceleration and deceleration, known as slow slip events (SSEs). SSEs, which aseismically release the strain energy over a period of days to months, rather than the seconds to minutes characteristic of a typical earthquake, have been interpreted as earthquake precursors and as possible triggering factor for major earthquakes. Therefore, understanding the partitioning of seismic and aseismic fault slip and evolution of creep is fundamental to constraining the fault earthquake potential and improving operational seismic hazard models. Thanks to advances in tectonic geodesy, it is now possible to detect the fault movement in high spatiotemporal resolution and develop kinematic models of the creep evolution on the fault to determine the budget of seismic and aseismic slip. In this dissertation, I measure the decades-long time evolution of fault-related crustal deformation along the San Andrea Fault in California and the northeast Japan subduction zone using space-borne geodetic techniques, such as Global Positioning System (GPS) and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). The surface observation of deformation combined with seismic data set allow constraining the time series of creep distribution on the fault surface at seismogenic depth. The obtained time-dependent kinematic models reveal that creep in both study areas evolves through a series of SSEs, each lasting for several months. Using physics-based models informed by laboratory experiments, I show that the transient elevation of pore fluid pressure is the driving mechanism of SSEs. I further investigate the link between SSEs and evolution of seismicity on neighboring locked segments, which has implications for seismic hazard models and also provides insights into the pattern of microstructure on the fault surface. I conclude that while creeping segments act as seismic rupture barriers, SSEs on these zones might promote seismicity on adjacent seismogenic segments, thus change the short-term earthquake forecast. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2018

Typical reinforced concrete (RC) bridges built prior to 1970 were designed with minimum seismic consideration, leaving numerous bridges highly susceptible to damage following an earthquake. In order to improve the seismic behavior of substandard RC bridges, this study presents the seismic performance of reinforced concrete bridge bents retrofitted and repaired using Buckling-Restrained Braces (BRBs) while considering subduction zone earthquake demands. In order to reflect displacement demands from subduction ground motions, research studies were conducted to develop quasi-static loading protocols and then investigate their effect on structural bridge damage. Results suggested that subduction loading protocols may reduce the displacement ductility capacity of RC bridge columns and change their failure mode. The cyclic performance of reinforced concrete bridge bents retrofitted and repaired using BRBs was experimentally evaluated using large-scale specimens and the developed loading histories. Three BRB specimens were evaluated with the aim of assessing the influence of these components on the overall performance of the retrofitted and repaired bents. Additionally, subassemblage tests were conducted in an effort to study the response of these elements and to allow for refined nonlinear characterization in the analysis of the retrofitted and repaired systems. The results of the large-scale experiments and analytical studies successfully demonstrated the effectiveness of utilizing buckling-restrained braces for achieving high displacement ductility of the retrofitted and repaired structures, while also controlling the damage of the existing vulnerable reinforced concrete bent up to an operational performance level.

L'arc des Petites Antilles situé sur la bordure nord-est de la plaque Caraïbe, résulte d'un phénomène de subduction, les plaques américaines plongeant sous celle de la Caraïbe avec une vitesse de 2 cm/an. Les Antilles Françaises représentent la région française où le risque sismique est le plus important. Ce travail dont l'objectif est d'améliorer la connaissance de l'aléa sismique dans les Antilles Françaises, repose sur les données du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP) et sur celles du « Centre de Données des Antilles Françaises ». L'analyse de ces données permet de mieux contraindre la sismicité de l'arc. Deux zones de très faible sismicité sont mises en évidence : au nord près des Iles Vierges et au sud entre Sainte-Lucie et Grenade. D'autres points sont aussi résolus : imagerie de la subduction le long de l'arc, relations entre la sismicité superficielle et la tectonique active, variations de la pente (b-value) de la loi de Gutenberg-Richter. Le séisme majeur du 21 novembre 2004 Mw=6.3 est au cœur des deux derniers chapitres. Plusieurs aspects y sont présentés : macrosismicité avec l'évaluation d'intensités EMS98 obtenues du dépouillement de formulaires individuels recueillis pour les Iles des Saintes, et relocalisation par la méthode de maître/esclave du choc principal et de sa plus forte réplique du 14 février 2005, de façon à mieux contraindre l'imagerie de la source du choc principal, étape primordiale pour la dernière partie portant sur la modélisation des signaux du choc principal des Saintes. Nous tentons dans cette dernière partie de modéliser les enregistrements de mouvements forts avec une approche semi-empirique en se basant sur un modèle stochastique large-bande et proposons l'utilisation de plusieurs Fonctions de Green Empiriques (FGE) sélectionnées parmi les répliques du séisme des Saintes.

Le volcanisme des zones de subduction est associé à la déshydratation de la plaque lithosphérique subduite. La présence d'eau permet d'abaisser les conditions nécessaires au déclenchement de la fusion partielle du manteau.<br /><br />Un modèle numérique bidimensionnel en éléments finis a été développé afin de déterminer l'influence des paramètres géométriques de la subduction sur cette fusion partielle. Ce modèle intègre de manière couplée la résolution des équations de la mécanique des fluides, le calcul de la fusion partielle et les transferts d'eau entre les différentes phases minéralogiques du manteau et de la croûte. Du point de vue technique, les équations de conservation de l'énergie sont résolues par une méthode de type Galerkin tandis que les équations de conservation de la masse et du moment utilisent une procédure de pénalisation. La prise en compte des transferts de fluides se fait par le biais d'une méthode de traceurs. Chacun d'entre eux porte une information de composition minéralogique et de teneur en eau. En fonction des conditions de pression et de température, nous pouvons déterminer, à partir d'un diagramme de phase, les teneurs maximales en eau que peut accepter un traceur et donc évaluer la migration du fluide.<br /><br />Les résultats obtenus sont en accord avec les données géochimiques enregistrées en surface dans les laves des arcs<br />volcaniques. Ainsi, une augmentation de l'épaisseur de la croûte chevauchante est associée à une diminution de la production magmatique totale, tandis qu'une augmentation du taux de convergence des plaques est corrélée avec une augmentation du taux de fusion partielle.

L'étude géomorphologique et thermochronologique menée en Patagonie centrale montre l'influence de la subduction de la dorsale du Chili sur la dynamique de surface. Depuis 14 Ma, la migration vers le nord du point triple entre plaques Nazca, Antarctique et Amérique du Sud s'accompagne d'un soulèvement de grande longueur d'onde. Celui-ci affecte les Andes de Patagonie, où les âges (U-Th)/He sur apatite sont plus jeunes au sud du point triple (~7-5 Ma) qu'au nord, mais aussi le bassin à l'est de la chaîne, où les terrasses mises en place depuis le Miocène moyen ont subi des basculements N-S de ~0,1-0,2%. Ces valeurs correspondent à celles prévues par des calculs analytiques de topographie dynamique. Des modèles analogiques du processus de subduction montrent les interactions entre processus profonds et dynamique de surface : nous observons un lien entre changement de pendage du slab et déformation de la plaque supérieure, et étudions les phénomènes liés à l'ouverture d'une fenêtre de slab.

Comparer les zones de subductions les unes aux autres permet d'éclairer les raisons de leur diversité et de remonter aux forces qui gouvernent leur fonctionnement. Pour permettre cette comparaison statistique, une base de données globale originale, SubductionZones, qui décrit l'ensemble des zones de subduction océaniques du globe a été construite à partir de bases de données globales préexistantes. Les observations qui découlent de l'analyse statistique globale des zones de subduction, souvent inédites et infirmant parfois les résultats d'études antérieures, impliquent une réévaluation des modèles de subduction en vigueur. Des trois « acteurs » mis en jeu dans le processus de subduction (i.e., la plaque subduite, la plaque supérieure et le manteau), la plupart des observations mettent en avant l'influence de la plaque supérieure et de la direction de son mouvement sur la dynamique de la subduction. Les caractéristiques de la plaque subduite et de son panneau plongeant, en revanche, si elles semblent contrôler le mouvement des plaques, ont vraisemblablement une influence limitée sur le mouvement des fosses, le régime tectonique de la plaque supérieure et le pendage du slab. L'influence du manteau et des flux qui l'animent a par ailleurs été mise en évidence dans quelques cas, notamment à proximité des bordures de slabs.<br />Les modèles physiques (analytiques, numériques ou analogiques), pour leur part, complètent la vision instantanée du processus de subduction que donne l'approche statistique en offrant un cadre théorique et dynamique à l'interprétation des observations. L'approche analogique nous a ainsi permis de tester les modalités de l'influence du mouvement de la plaque supérieure dans le contrôle du mouvement de la fosse, de la géométrie du panneau plongeant et de la déformation de la plaque supérieure.

Des liquides ultracalciques primitifs (riches en CaO, pauvres en Al2O3) ont été observés dans la plupart des contextes géodynamiques. Les liquides ultracalciques à néphéline normative (uniquement observés dans les arcs) et les liquides ultracalciques à hypersthène normatif (associés à des basaltes tholeiitiques) ne présentent pas de "signature du grenat" et sont donc générés à P < 3 GPa. Les teneurs élevées en CaO jusqu'à 19,0 %) et les rapports CaO/Al2O3 élevés (jusqu'à 1,8) ne peuvent pas être obtenus par fusion de lherzolites fertiles. L'étude des relations de phases au liquidus de deux liquides ultracalciques (à néphéline et à hypersthène normatifs) montre qu'ils sont en équilibre avec olivine et clinopyroxène pour des conditions P/T très différentes. La comparaison de nos résultats et d'expériences de fusion publiées indique que les liquides à hypersthène normatif proviennent de la fusion d'une source réfractaire à olivine+clinopyroxène±orthopyroxène (lherzolite réfractaire ou cumulat wehrlitique) dans le manteau supérieur. Leur présence traduit des températures très élevées (~1400 °C). Les liquides ultracalciques à néphéline normative résultent de la fusion de wehrlites crustales pour des températures plus basses (1200 °C). Des expériences de fusion de wehrlites à amphibole (fréquemment observées en base de croûte d'arc) montrent que la composition des liquides est contrôlée par la déstabilisation de l'amphibole ; ils sont à néphéline normative et deviennent ultracalciques par augmentation du taux de fusion. Ces liquides sont très similaires aux liquides ultracalciques à néphéline normative naturels, qui sont probablement produits selon la réaction amphibole+clinopyroxène = liquide+olivine. La présence d'amphibole permet d'expliquer les teneurs élevées en alcalins et faibles en silice et les faibles températures de fusion. Ces liquides sont des témoins des interactions entre les basaltes magnésiens d'arc et les cumulats crustaux à amphibole.

Les Iles Salomon forment une double chaîne d'îles située au nord-est de l'Australie entre la Papousie Nouvelle Guinée et les Iles Vanuatu (Océan Pacifique), résultant de la récente collision (<10 Ma) du plus grand plateau océanique au monde - Ontong Java (OJP) avec l'arc volcanique des Iles Salomon, issu de la subduction de la plaque Pacifique sous la plaque indo-australienne (depuis 43 Ma). Résultant de cette collision, des écailles de roches ultramafiques (péridotites et pyroxénites) et mafiques (basaltes et gabbros) ont été obductées et affleurent au nord-est des Iles Salomon. L'objectif de cette thèse est d'étudier ces roches en utilisant une approche pluri-disciplinaire (pétrologie, minéralogie et géochimie) afin de déterminer leur origine et leur formation.<br />Les harzburgites de Choiseul et les pyroxénites de Santa Isabel et San Jorge ne sont pas liées à OJP mais résultent d'un mécanisme complexe du métasomatisme du manteau d'arc par des fluides issus de la plaque subductée. Ces fluides, riches en éléments lithophiles (Cs, Ba, Rb, Sr et Pb) sont des magmas hydratés résultant de la fusion des sédiments subductés. Les roches mafiques (incluant les basaltes et les gabbros) représentent un complexe ohiolitique complet de bassin d'arc. En conclusion, la formation et l'exhumation de ces roches ultramafiques et mafiques des Iles Salomon sont étroitement liées à la collision OJP-arc.

L'évolution d'une zone de subduction est reliée aux transformations pétrologiques de la plaque plongeante et à leurs cinétiques. Plusieurs exemples illustrant cette relation ont été étudiés expérimentalement, à l'aide des techniques de HP-HT (presse large volume, cellule à enclumes de diamant chauffage laser) et de la diffraction de rayons X in situ source synchrotron. (i) La vitesse de transformation de la coésite vers son polymorphe de basse pression, le quartz, a été déterminée. Cette cinétique de rétromorphose permet de discuter les modalités de préservation de la coésite lors de son retour vers la surface, et par là les processus tectoniques à l'origine de l'exhumation des roches de ultra-haute pression. L'utilisation du taux de rétromorphose de coésites naturelles pour la modélisation des chemins P-T-t d'exhumation est discutée. (ii) La déstabilisation de l'antigorite (serpentine), dans des conditions de faible activité d'H2O, libère des fluides à une vitesse de 10-6 à 10-8 m3fluide.m-3roche.s-1. Ces taux de production de fluides seraient susceptibles d'occasionner une augmentation de la pression de fluides et une hydrofracture de la matrice rocheuse. La déshydratation de l'antigorite pourrait ainsi expliquer la séismicité du plan inférieur des zones à doubles plans de Bénioff. (iii) L'assemblage minéralogique d'un basalte de ride médio-océanique (MORB) dans le manteau inférieur est constitué majoritairement de Mg-pérovskite, Ca-pérovskite et stishovite. De 800 à 1150 km de profondeur, deux phases alumineuses sont présentes, l'une de structure calcium ferrite et l'autre nommée "new aluminum phase" (NAL), et représentent 20% pds de l'assemblage. A ~1200 km, la phase NAL disparaît alors que toutes les autres phases restent stables jusqu'à 1400 km au moins. De 800 à 1400 km, la densité de la croûte océanique à l'équilibre thermique est plus élevée que celle du manteau environnant. En outre, la disparition de la NAL conduit à un saut de densité de +1% qui pourrait être responsable de réflecteurs sismiques profonds observés dans les zones de subduction péri-Pacifique. (iv) Enfin, des investigations sur l'analyse chimique à l'échelle sub-micronique d'échantillons de pétrologie expérimentale par sonde ionique nanoSIMS sont présentées.