<p>Erosion, in its many forms, is thought to have a measurable impact on the development and evolution of mountain belts. In this work, we examine the response of physical scaled (analog) Coulomb wedges to different erosional styles. Data is collected in the form of velocimetry data within images of these models, using particle image velocimetry (PIV) and particle tracking velocimetry (PTV), with each dataset rendering whole wedge slip magnitude fields and material pathways, respectively. Results for channelized glacial erosion models demonstrate a significant focusing of faulting below the glacial channel itself, as well as a shift of the locus of greatest exhumation to within the channel. This shift in the locus of exhumation also allows for deep material to make it to the model surface, with models featuring a strong basal décollement having higher amounts of exhumation than those with weaker basal décollements. This same pattern is seen with regards to fault slip and shortening, with stronger décollement allowing for greater slip and more shortening. Increases in erosion magnitude are also seen as increasing total fault slip as well. With regards to thermal conditions and surface heat flow, we highlight that increasing erosion increases heat flow and temperatures within the wedge. Using Pressure-Temperature-time (P-T-t) pathways, we also see that the inclusion of weak material stratigraphy allows for duplexing and subsequent exhumation of deep-seated material, leading to complex thermal histories. Overall, we see erosion localization and magnitude being proportional to the magnitude of fault activity, and that this increased fault activity allows for deep-seated material to be exhumed from the system.  </p> <p>  </p>

Les failles décrochantes se caractérisent par des géométries 3D relativement complexes, avec des changements abrupts de structures associés à une segmentation latérale. Ainsi, comprendre comment les failles décrochantes sont segmentées latéralement peut apporter des informations sur la répartition de la déformation et des contraintes le long de ces failles ou encore leur comportement sismique. Dans cette étude nous avons cherché à caractériser ces paramètres pour la faille du Levant. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés au comportement sismique de cette faille au cours des derniers millénaires. Pour cela, nous avons réalisé une tranchée paléosismologique le long de la section sud de la faille où les données sur la sismicité historique restent limitées. Cela nous a permis de proposer un scénario de rupture pour la section entre le golfe d’Aqaba et le Mont Liban (~500 km). Le catalogue obtenu montre que la faille a connu plusieurs crises sismiques d’environ 200 ans, durant lesquelles l’ensemble de la faille rompt en cascade, séparées par des périodes de quiescence d’environ 350-400 ans, suggérant que la sismicité suit un modèle de clustering temporel. Ce catalogue nous a également permis d’estimer le déficit de glissement accumulé au cours des derniers 1600 ans. Ce déficit, est homogène pour toute la section de faille considérée, à 2 m de moyenne, ce qui pourrait suggérer l’imminence d’une crise sismique régionale, puisque que la compensation d’un tel déficit se traduirait par l’occurrence d’un séisme de Mw ~7.2 sur chaque section de faille. Dans une deuxième partie, nous avons étudié la répartition de la déformation à long terme dans une zone présentant une géométrie relativement complexe : le golfe d’Aqaba. Dans cette région, nous avons cartographié à partir de données de terrain et d’images satellites un certain nombre de structures secondaires sur les marges du golfe. Ainsi, même si la faille principale se trouve en mer, une partie de la déformation verticale est accommodée à terre. La confrontation des datations thermochronologiques et cosmogéniques réalisées le long de la côte Est du golfe montre une accélération des taux de soulèvement à partir de 5 Ma, qui est interprétée comme une conséquence de la migration du pôle d’Euler associé à la rotation de la plaque Arabique. Cette migration a favorisé un régime transtensif dans le golfe d’Aqaba, entrainant la réactivation de failles anciennes bordant la plaine côtière. Enfin, afin d’évaluer les mécanismes contrôlant la segmentation des failles décrochantes et leur évolution dans le temps, nous avons réalisé des expériences analogiques en boite à sable. Elles nous ont permis de mettre en avant (1) l’impact majeur de l’épaisseur du matériel cassant sur la longueur des segments et (2) la pérennité de la segmentation des failles décrochantes, puisque la segmentation observée sur le terrain obéit aux mêmes lois d’échelle que la segmentation observée aux stades initiaux de déformation dans les boites à sable / Strike slip faults are characterised by complex 3D geometries, with abrupt structural variations and a high degree of lateral segmentation. Hence, understanding the underlying mechanisms of lateral fault segmentation can shed light on the distribution of deformation and stress along these faults, as well as their seismic behaviour. In this study, we have tried to characterise some of these parameters for the Levant fault. We first investigated the seismic behaviour of this fault over the last few thousand years. To do this we realised a paleoseimological trench along the southern section of the fault, in a region where historical seismic data are limited. This allowed us to propose a rupture scenario for the section running from the Gulf of Aqaba to Mount Lebanon (~500km). The resulting catalogue highlights several seismic crises about 200 years long during which the whole fault ruptures in a cascade, interspaced with quiescent periods of about 350-400 years. This suggests that the seismic behaviour of the fault presents temporal clustering. Our catalogue also allowed for the estimation of the slip deficit accumulated over the last 1600 years in the considered section. This deficit is homogeneous along the fault and relatively high (2 m on average), which could suggest that a seismic crisis could happen over the entire region in a near future, as the compensation of such deficit would require the occurrence of a Mw 7.2 event on each section of the fault. After that we studied the distribution of long-term deformation in a region with a relatively complex geometry: the Gulf of Aqaba. In this region we mapped from field data and satellite images several secondary structures on the margins of the gulf. Indeed, even though the main fault is at sea, part of the vertical deformation is accommodated on land. The confrontation of thermochronological and cosmogenic datations along the eastern coast of the gulf shows an acceleration of the uplift rates. We interpret this as a consequence of the migration of the Euler pole associated with the rotation of the Arabian plaque, 5 ky ago. This migration led to an increase of the transtension in the Gulf of Aqaba, which reactivated ancient faults bordering the coastal plain. Finally, in order to quantify the mechanisms controlling the segmentation of strike slip faults and their temporal evolution, we realised sand box experiments. Our results highlight the importance of the thickness of the brittle material and its impact on the segment lengths. They also show the persistence of strike slip faults segmentation since the segmentation observed in the field obeys the same scaling laws as that observed at the early stages of deformation in sand box experiments

Le cycle sismique s'étend de la centaine à quelques milliers d'années mais les mesures géodésiques et sismologiques s'étendent sur moins d'un siècle. Cette courte échelle de temps d'observation rend difficile la mise en évidence du rôle des paramètres sismotectoniques clefs qui contrôlent la dynamique des failles actives. Pour pallier ce problème d'échelle temporelle, j'ai développé un nouveau modèle expérimental qui reproduit des microséismes le long d'une faille décrochante sur plusieurs centaines de cycles sismiques. Il est constitué de deux plaques de polyuréthane latéralement en contact, reposant sur une couche basale de silicone, simulant le comportement mécanique d'une croûte supérieure élastoplastique couplée avec une croûte inférieure ductile, respectivement. Pour chaque expérience, environ 4000 mesures du champ de vitesses horizontales sont enregistrées. L'analyse des déplacements de surface au cours des phases intersismiques, cosismiques et postsismiques et leur comparaison aux failles sismogéniques montrent que le modèle reproduit correctement les déformations proches de la faille et en champ lointain. J'ai aussi effectué des inversions du champ de vitesses en surface pour évaluer la distribution spatiale du glissement en profondeur le long du plan de faille. Pour comparer les expériences, j'ai développé plusieurs algorithmes permettant d'étudier l'évolution spatio-temporelle des principaux paramètres physiques et les processus de déformation de surface qui caractérisent le cycle sismique. Mes premiers résultats suggèrent que la vitesse de chargement tectonique imposée en champ lointain joue un rôle sur le cycle sismique en influençant la magnitude des séismes, leur temps de récurrence, ainsi que la capacité de la faille à générer des séismes caractéristiques. Une vitesse de chargement lente favorise l'occurrence de forts évènements caractéristiques et une vitesse rapide de nombreux microséismes de magnitude faible à modérée plus distribués le long de la faille. Ma première hypothèse est que ce comportement est contrôlé par le couplage fragile/ductile à la base des plaques de polyuréthane. Pour une vitesse rapide, les forces visqueuses dans la couche basale augmentent de même que ce couplage. Ce processus contraint la base de la faille à glisser à une vitesse proche de sa vitesse long-terme et induit un champ de contrainte plus hétérogène le long de son plan qui favorise les microséismes de magnitude faible à modérée. Pour une vitesse lente, le silicone se comporte comme un fluide newtonien et les forces visqueuses diminuent considérablement, permettant à la faille de rester bloquée sur une plus longue période et d'accumuler plus de déformation élastique. Les contraintes sont ensuite relaxées par de plus larges évènements sismiques. Enfin, j'ai étudié le rôle joué par les variations de contrainte normale le long de la faille sur le glissement cosismique et le comportement long terme du système. Les résultats montrent que la distribution spatiale du glissement cosismique est fortement contrôlée par les variations de résistance de la faille et de l'accumulation des contraintes cisaillantes qui en résultent. Les évènements majeurs se produisent préférentiellement dans les zones d'aspérité de contrainte cisaillante et leur distribution spatiale du glissement suit une tendance similaire à celle de la variation de contrainte normale le long de la faille. L'analyse révèle aussi que l'hétérogénéité de l'état de contrainte initial influence la régularité du cycle sismique et le comportement long terme du modèle. Les résultats de cette étude paramétrique conforte ainsi l'hypothèse selon laquelle la distribution du glissement cosismique le long des ruptures peut fournir des informations pertinentes sur l'état de contrainte initial et pourrait améliorer notre compréhension de l'aléa sismique. Notre approche expérimentale apparaît donc, comme une méthode complémentaire et efficace pour étudier la dynamique des séismes. / Average seismic cycle duration extends from hundred to a few thousands years but available geodetic measurements, including trilateration, GPS, Insar and seismological data extend over less than one century. This short time observation scale renders difficult, then, to constrain the role of key parameters such as fault friction and geometry, crust rheology, stress and strain rate that control the kinematics and mechanics of active faults.To solve this time scale issue, I have developed a new experimental set-up that reproduces scaled micro-earthquakes along a strike-slip fault during several hundreds of seismic cycles. The model is constituted by two polyurethane foam plates laterally in contact, lying on a basal silicone layer, which simulate the mechanical behaviour of an elastoplastic upper crust coupled with a ductile lower crust, respectively. For each experience about 4000 horizontal-velocity field measurements are recorded. The analysis of model-interseismic, coseismic and postseismic surface displacements and their comparison to seismogenic natural faults demonstrate that our analog model reproduces correctly both near and far-field surface strains. I also performed surface-velocity field inversions to assess the spatial distribution of slip and stress at depth along the fault plane. To compare the experiences, we have developed several algorithms that allow studying the spatial and temporal evolution of the main physical parameters and surface deformation processes that characterise the seismic cycle (magnitudes, stress, strain, friction coefficients, interseismic locking depth, recurrence time, ...). My first results suggest that far-field boundary-velocity conditions play a key role on the seismic cycle by influencing earthquake magnitudes and recurrence time, as well as the capability of the fault to generate characteristic earthquakes. We observed that low loading rate favors rare but large strong characteristic events and high loading rate numerous low to moderate magnitude more distributed microquakes. My first hypothesis is that this behaviour may be controlled by the brittle/ductile coupling at the base of foam plates. For a high loading rate, viscous forces in the silicone layer increase as well as coupling at the base of the foam plates. These features force the base of the fault to slip at a velocity close to the far field velocity and induce a more heterogeneous stress field along the fault favoring low to moderate microquakes. For a low loading rate, silicone almost behaves as a newtonian fluid and viscous forces strongly decrease, allowing the fault to remain locked for a longer period and to accumulate more elastic strain. Stresses are then relaxed by larger seismic events.Finally, I investigate experimentally the role played by along fault initial normal stress variations on coseismic slip and long term fault behavior. Results show that coseismic slip patterns are strongly controlled by variations in fault strength and subsequent accumulated shear stress along fault strike. Major microquake events occur preferentially into zone of major shear stress asperities and coseismic slip distributions follow similar trends than initial normal stress variations along the fault. Moreover, our experiment suggest that the heterogeneity of initial stress state along the fault influence the regularity of the seismic cycle and, consequently, long term fault slip behavior. Results of this parametric study comfort, then, the hypothesis that coseismic slip distribution along earthquake ruptures may provide relevant informations on unknown initial stress state and could thus improve our understanding of seismic hazard.Our experimental approach appears then, as an efficient complementary method to investigate earthquake dynamics.

Strike-slip faults evolve to accommodate more fault slip, resulting in less off-fault deformation. In analog experiments, the measured fault slip to off-fault deformation ratios are similar to those measured in crustal strike-slip systems, such as the San Andreas fault system. Established planar faults have the largest fault slip to off-fault deformation ratio of ~0.98. In systems without a pre-existing fault surface, crustal thickness and basal detachment conditions affect shear zone width and roughness. However, once the applied plate displacement is 1-2 times the crustal thickness, partitioning of deformation between fault slip and off-fault distributed shear is >0.90, regardless of the basal boundary conditions. In addition, at any moment during the evolution of the analog fault system, the ratio of fault slip to off-fault deformation is larger than the cumulative ratio. We also find that the upward and lateral propagation of faults as an active shear zone developing early in the experiments has greater impact on the system’s strike-slip efficiency than later interaction between non-collinear fault segments. For bends with stepover distance of twice the crustal thickness, the fault slip to off-fault deformation ratio increases up to ~0.80-0.90, after applied plate displacement exceeds twice the crustal thickness. Propagation of new oblique-slip faults around sharp restraining bends reduces the overall off-fault deformation within the fault system. In contrast, fault segments within gentle restraining bends continue to slip and the propagation of new oblique-slip faults have less effect on the system’s efficiency than for sharp restraining bends.