Les processus pétrologiques profonds, qui précèdent ou accompagnent la décompression du manteau sous les dorsales océaniques, tendent à être oblitérés par la fusion partielle. Les régions de dorsales à vitesse d'expansion très lente et/ou anormalement froides exposent des domaines mantelliques qui ont subi un degré de fusion extrêmement faible et donc permettent d'accéder à ces processus. La zone de fracture de Andrew Bain, située à la limite des plaques Africaine et Antarctique, en est un exemple remarquable. Son massif d'intersection avec la dorsale sud-ouest indienne a été exploré au cours de l'expédition océanographique italo-russe S23-AB06. Les échantillons qui ont été prélevés sont principalement des péridotites mantelliques à spinelle ± plagioclase, contenant des plages et des veinules enrichies en pyroxènes ± plagioclase, et montrant des textures de réquilibrages minéralogiques. Les concentrations en éléments majeurs et en traces des pyroxènes, mesurés in situ par EMPA et LA-ICP-MS, montrent une grande variabilité de compositions, identique à toutes les échelles, du massif à la lame mince. La modélisation des compositions des pyroxènes des péridotites indique (1) une cristallisation à partir de liquides de fusion de lithologies enrichies en éléments incompatibles, générés dans un large intervalle de pression débutant dans le faciès à grenat, (2) un rééquilibrage progressif à des conditions de P-T décroissantes, par interaction péridotite - liquide et diffusion à l'état solide. Le modèle est celui d'une refertilisation d'un manteau lithosphérique épais, similaire à celui qui caractérise les domaines de transition continent-océan. / Andrew Bain Fracture Zone represents one of the largest transform faults in the ridge system. Located on the South West Indian Ridge, it constitutes part of the plate margin between Africa and Antarctica. In this area, the lithosphere is thick and mainly constituted by ultramafic rocks; the system is characterized by a negative thermal anomaly. During the Italian-Russian expedition S23-AB06, the seafloor in the Southern Ridge Transform Intersection has been sampled and almost only ultramafic material has been recovered. The sampled spinel and plagioclase peridotites show hybrid textures and are characterized by deep spinel-field impregnation assemblages and by plagioclase-field equilibrated patches and mineral trails marked by crystallization of newly formed plagioclase-field equilibrated trails and formation of plagioclase coronas around pristine spinel. Major and trace element data composition have been collected. Both spinel- and plagioclase-peridotite pyroxenes and spinels follow a main melting trend accompanied by a progressive re-equilibration to lower P/T facies. Thin section-scale variability matches inter-site compositional variability. Progressive re-equilibration to lower P/T conditions can be accounted for by the presence of percolating melts and solid diffusion. Major and trace element shows that percolating melts are generated over a wide pressure range and modeling suggests melting started in garnet stability field but stopped early due to the lithospheric cooling. Thus, this mantle seems to be a thermically “normal” mantle cooled down from above by the anomalous thickness of the old lithosphere, similar to those characterizing continent-ocean transition.

Les aspérités géométriques d'un plan de faille contrôlent en partie toutes les étapes de la rupture sismique, depuis sa nucléation jusqu'à l'arrêt du séisme. L'objectif de ce travail est de caractériser la morphologie des surfaces de faille sur la large gamme d'échelles spatiales impliquées dans les tremblements de terre, puis d'explorer son influence sur l'organisation spatiale du glissement et des contraintes. L'approche utilisée inclue des observations de terrain couplées à une étude numérique et théorique. La combinaison de méthodes récentes de mesures topographiques (LiDAR, rugosimètre laser, interféromètre à lumière blanche), qui couvrent des gammes d'échelles spatiales complémentaires, permet de proposer un modèle géométrique cohérent de cinq zones de failles étudiées (Alpes françaises, Apennins, Turquie, Californie, Nevada). La rugosité des surfaces de failles montre des propriétés de dépendance d'échelle, et plus précisément suit un régime auto-affine anisotrope (l'exposant de rugosité est Hpara = 0.6 dans la direction du glissement et Hperp = 0.8 dans la direction perpendiculaire) depuis la centaine de micromètres jusqu'à plusieurs dizaines de mètres. En complément, l'analyse de la rugosité des ruptures de surface de huit tremblements de terre continentaux majeurs montre qu'un unique régime auto-affine anisotropique et sans longueur caractéristique est maintenu jusqu'à l'épaisseur de la croute sismogénique. Cette description de la géométrie des surfaces de failles et des traces de ruptures, est indépendante du contexte géologique. Plus particulièrement, cette étude met en avant que dès lors qu'un glissement cumulé métrique est atteint sur une faille, la complexité géométrique des portions actives des zones de failles est maintenue quel que soit le déplacement supplémentaire accommodé. Finalement, motivé par des observations de terrain, il est proposé que le processus dominant à l'origine de la rugosité des surfaces de failles puisse être l'interaction mécanique et la coalescence de segments multi-échelles. Deux conséquences émergent de cet état de rugosité. Les distributions spatiales du champ de glissement d'une part et du champ des contraintes lors d'un tremblement de terre d'autre part peuvent être expliquées par la présence de deux interfaces rugueuses auto-affines pressées élastiquement et cisaillées. Notamment, en utilisant un modèle numérique de propagation d'une rupture sur une interface hétérogène, la corrélation entre la rugosité 3-D des failles et la distribution spatiale 2-D du glissement dans le plan est clarifiée. Il est proposé que les hétérogénéités spatiales du glissement visibles sur les modèles cinématiques de rupture sismique soient préférentiellement dominées par les complexités géométriques locales plutôt que par la dynamique du front de rupture lui-même. Par ailleurs, les propriétés auto-affines des lèvres de la faille impliquent que les fluctuations spatiales de la chute de contrainte lors d'un séisme augmentent vers les courtes longueurs d'ondes ; ce qui est confirmé par des observations sismologiques. En considérant un modèle de rupture en cascade, il est alors probable que les failles sont fortement inhomogènes, avec des grands tremblements de terre composés d'une somme de petites aspérités multi-échelles qui subissent de fortes chutes de contrainte. Cette étude met en lumière l'importance des hétérogénéités locales en contrainte et en glissement dans la mécanique des tremblements de terre, et propose de les relier à des propriétés morphologiques self-affines de la surface de faille. / Geometrical asperities on fault planes partially control all stages of earthquake genesis, from the nucleation of a rupture, to its arrest. The present study aims at characterizing the geometrical morphology of fault surfaces on the wide range of spatial length scales involved in earthquakes, and exploring its influence on the spatial organization of slip and stresses during an earthquake. The approach combines field observations, numerical analysis and theory. Using recent methods of high resolution topographic measurements (LiDAR, laser profilometer, white light interferometer), spanning complementary ranges of spatial length scales, a consistent geometrical model emerges for the five fault zones (French Alps, Apennines, Turkey, California, Nevada) studied here. The morphology of the fault surface, i.e. its roughness, is scale dependent, and more specifically follows a self-affine anisotropic regime (the roughness exponent is Hpara = 0.6 in the slip direction and Hperp = 0.8 perpendicular to it) from the scale of hundred of micrometers to several tens of meters. In addition, the roughness analysis of the surface rupture of height major continental earthquakes shows that a single self-affine regime is maintained up to the thickness of the seismogenic crust, without any characteristic length scale. This description of the geometry of the fault scarps and rupture traces is independent of the geological context. More particularly, this study highlights that once a fault has achieved a cumulated a small offset no larger than one meter, the roughness of the active portion of the fault zone is maintained even if further slip is accommodated. Finally, motivated by field observations, it is proposed that the main process causing the roughness of fault surfaces can be the mechanical interaction and coalescence of multi-scale segments. Based on a numerical and theoretical approach, the spatial distribution of both the slip and stress fields during an earthquake can be understood by the presence of two self-affine rough interfaces elastically squeezed and sheared. Using a numerical model of rupture propagation on a heterogeneous interface, the link between the 3-D fault roughness and the 2-D spatial distribution of the slip is clarified. It is proposed that the spatial heterogeneity of the slip observed on kinematic models of earthquake rupture is preferentially dominated by the local geometrical complexity rather than the dynamic of rupture itself. Moreover, the self-affine properties of the fault interfaces imply that the spatial fluctuations of the stress drop after a rupture event increase towards shorter wavelengths. Considering a rupture cascade model, it is likely that the faults may be considered as highly inhomogeneous with large earthquakes composed by a sum of multi-scales ruptures of small asperities with large stress drop within an average fault surface with small stress drop. This study emphasizes the importance of local stress and slip heterogeneities on the mechanics of earthquakes and proposes to relate these parameters to the self-affine morphology of the fault surfaces.

Le fluage asismique des failles dans la croûte supérieure est un mécanisme de déformation crucial le long des limites des plaques tectoniques. Il contribue au bilan énergétique du cycle sismique, retardant ou déclenchant le développement des grands tremblements de terre. Un enjeu majeur est de comprendre quels sont les paramètres qui contrôlent la partition entre déformations sismiques et asismiques dans les failles actives tels que la lithologie ou les transformations sous contrainte à toutes échelles et comment cette partition évolue dans le temps. Des observations géologiques réalisées dans ce travail le long de la Faille Nord Anatolienne en Turquie, combinées à des analyses de laboratoire et des traitements d’images, permettent de donner un éclairage nouveau sur ces mécanismes de fluage. En plus, les relations entre déformation finie et transfert de matière ont été utilisées en parallèle avec des données géodésiques pour comprendre l’évolution de ces mécanismes de fluage depuis le début du déplacement de cette faille.Une corrélation claire est observée entre fluage superficiel et composition des gouges de la faille : les segments sismiques sont composés de calcaires massifs sans gouge de faille argileuse alors que les segments asismiques qui fluent comprennent des gouges argileuses résultant de la transformation progressive de roches volcaniques. Dans ces zones de fluage une schistosité espacée se développe durant le premier stade de la déformation conduisant à un litage tectonique de type foliation, au début oblique puis subparallèle à la faille, qui accommode une part de la déformation asismique par dissolution cristallisation sous contrainte. En conséquence, les minéraux solubles comme le quartz et les feldspaths sont dissous conduisant à la concentration passive des phyllosilicates dans les gouges de failles qui sont ensuite altérés par des circulations de fluides produisant des minéraux argileux à faible friction. Dans le même temps les zones endommagées autour de la gouge sont fracturées et les fractures scellées par des carbonates. Ces transformations minérales et structurales amollissent les gouges de failles et durcissent les zones endommagées conduisant à une évolution de la déformation sismique – asismique de diffuse à localisée.Des modèles qui intègrent déformation finie et transfert de matière révèlent deux échelles d’espace de la déformation qui correspondent à une alternance de deux types de bandes de cisaillement avec une schistosité soit oblique soit subparallèle à la faille. Diverses valeurs de la déformation finie ont été estimées pour calculer la proportion de déplacement asismique par rapport au déplacement total sismique et asismique de la faille (80 km). Cette proportion qui dépend de la lithologie de la zone de faille varie de 0.002% dans les zones sismiques calcaires et évolue dans le temps dans les zones asismiques des roches volcaniques de 59% pour les stades précoces à 18% pour les stages récents. / Aseismic fault creep in the upper crust is a key deformation process along tectonic plate boundaries. It contributes to the energy budget during the seismic cycle, delaying or triggering the occurrence of large earthquakes. One of the greatest challenges is to understand which parameters control the partition between seismic and aseismic deformation in active faults, such as lithology or stress-driven transformations at all scales and how this partition evolves with time. Geological observations along the North Anatolian Fault in Turkey combined with laboratory analyses and imaging techniques performed in the present study shed new light on these mechanisms of fault creep. Moreover, the relationship between finite strain and mass change was compared with geodesy data in order to understand the evolution of these creep mechanisms since the beginning of this fault displacement.A clear correlation is shown between shallow creep and near-surface fault gouge composition: seismic segments of the fault are mostly composed of massive limestone without clay gouges, whereas aseismic creeping segments comprising clay gouges result from a progressive change of volcanic rocks. Within these creeping zones, anastomosing cleavage develops during the first stage of deformation, leading to tectonic layering that forms a foliation, oblique at first and then sub-parallel to the fault. This foliation accommodates part of the aseismic creep by pressure solution. Consequently, the soluble minerals such as quartz and feldspars are dissolved, leading to the passive concentration of phyllosilicates in the gouges where alteration transformations by fluid flow produce low friction clay minerals. At the same time damage zones are fractured and fractures are sealed by carbonates. As a result, these mineralogical and structural transformations weaken the gouge and strengthen the damage zone leading to the change from diffuse to localized seismic-aseismic zones.Models integrating finite strain and mass change reveal two spatial scales of strain that correspond to the alternation of two types of shear bands, with cleavages oriented either oblique or sub-parallel to the fault zone. Various total strain values were estimated in order to calculate the aseismic part of the total 80 km displacement along the locked and creeping sections. The aseismic strain fraction of the total tectonic strain in the fault depends on the fault lithology and varies from 0.002% in seismic zones made of limestone and evolves with time in the creeping zones made of volcanic rocks from 59% in the early stages of fault development to 18% in the recent times.

Les milieux discontinus se caractérisent par une substitution totale ou partielle de la porosité primaire par une porosité secondaire portée par les fractures et failles. Les écoulements y sont souvent marqués par une forte ségrégation due aux contrastes de conductivité avec la matrice environnante, ainsi qu'entre les discontinuités. L'appréhension de leur géométrie constitue un enjeu majeur en hydrogéologie des milieux discontinus. La distinction entre milieux fracturés et milieux faillés est cruciale en modélisation hydraulique du fait que ceux-ci s'abordent de manières diamétralement opposées: les milieux fracturés forment des réseaux dont les propriétés hydrauliques macroscopiques sont envisagées à travers un schéma d'homogénéité statistique (fractal ou euclidien), privilégiant typiquement une représentation stochastique dans un continuum équivalent. Inversement, les failles sont des structures hydrauliques de grande dimension à l'échelle du réservoir et en nombre restreint. Elles doivent être considérées intrinsèquement dans les modèles d'écoulement comme des unités hydrauliques majeures bi-ou tridimensionnelles discrètes en interaction continue avec la matrice environnante, au sein desquelles les écoulements sont explicitement représentés de manière déterministe. C'est l'approche privilégiée dans cette thèse. L'incapacité des modèles hydrauliques conventionnels à reproduire les comportements transmis par les milieux discontinus est reconnue depuis plusieurs décennies. Les auteurs ont recherché des extensions de ces modèles, dont la plus notable est le modèle Generalized Radial Flow (Barker, 1988) qui introduit le paramètre dimension d'écoulement n et le concept de comportement non-radial (i.e., n ≠ 2). Ce modèle reproduit efficacement les signaux transmis par les milieux discontinus, toutefois sa signification physique est incertaine et les conditions hydrodynamiques associées au développement de dimensions non-radiales demeurent énigmatiques. Il en résulte une très faible applicabilité du modèle GRF malgré le très fort potentiel diagnostique renfermé par le paramètre n. On montre que ce paramètre décrit l'évolution géométrique de l'équipotentielle frontale au cours du test hydraulique transitoire. Le comportement non-radial serait donc produit par tout système dont la géométrie -ou les propriétés hydrauliques -produisent une évolution transitoire de cette surface admettant des modifications de forme progressives et régulières. On peut s'attendre à ce que ce phénomène soit engendré par les interactions transitoires entre une faille et sa matrice. Le premier volet de cette thèse se consacre à la vérification de cette hypothèse. La production de comportements non-radiaux n = 1,5 par le discontinuum faille verticale-matrice est démontrée par la modélisation numérique tridimensionnelle aux éléments finis. L'outil numérique a permis de contraindre quantitativement les conditions hydrodynamiques associées à ce comportement. Celui-ci découle du ralentissement du regime de diffusion au sein de la faille, engendré par l'approvisionnement matriciel. Par ailleurs, l'observation des modalités d'apparition des dimensions d'écoulement dans les milieux discontinus naturels (base de données de quarante-et-un essais de pompages) a fait ressortir des signatures complexes presque systématiquement composées de plusieurs périodes radiales et non-radiales, dont aucun modèle hydraulique existant ne peut rendre compte. Ces signatures multiphasées montrent une excellente homogénéité spatiale attestée par les tests d'interférences (six sites considérés). Un autre volet de cette thèse s'attache à explorer les moyens diagnostiques renfermés par une telle complexité et variabilité des comportements naturels à travers une approche numérique expérimentale recherchant des extensions du modèle à faille verticale analysé précédemment vers des configurations géométriques et hydrauliques moins idéalisées: faille inclinée jusqu'au stade horizontal, milieu composite (faille à l'interface), anisotropie. Plusieurs comportements élémentaires ont été élaborés, très bien corroborés par les signatures naturelles dont une interprétation avancée en termes de conditions d'écoulement discontinu est rendue possible. Ces résultats constituent une amélioration significative des modèles hydrauliques en milieux faillés, toutefois on montre que le potentiel diagnostique du paramètre dimension d'écoulement demeure très faiblement exploité. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Aquifères, Failles, Essais de pompages, Modélisation numérique.

Les systèmes hydrothermaux non-magmatiques en contexte orogénique sont peu étudiés. Les questions qui demeurent sont : 1) quelles sont les structures efficaces pour l'infiltration des fluides météoriques ? 2) quels sont les conduits permettant la remontée des fluides depuis la profondeur jusqu'aux sources, et comment sont-ils entretenus ? 3) quels sont les régimes thermiques, la géométrie et l'amplitude des anomalies thermiques, ainsi que les interactions eau-roche dans la zone profonde ? Dans les Pyrénées Orientales (France), l'alignement de 29 sources hydrothermales (29-73°C) le long de la faille cassante de la Têt et des reliefs associés, permet d'étudier ces processus.L'approche intégrée de l'analyse par télédetection, observations géologiques multi-échelles sur le terrain, et par la géochimie du fluide hydrothermal, permet de contraindre un modèle 3D consistant couplant écoulements et transferts de chaleur. Nos résultats montrent que :1. Les fluides hydrothermaux ont une origine météorique et s'infiltrent en haute altitude (2000 - 2600 m). Les trois familles de fractures associées à trois épisodes tectoniques successifs sont des structures efficaces pouvant assurer les transfers de fluides. L'ouverture de ces fractures (c.-à-d. la perméabilité) dépend de la lithologie.2. Les sources hydrothermales sont principalement localisées dans le mur de la faille, au pieds du large relief formé lors de son déplacement normal (massifs du Canigou, Carança, Puigmal). Elles émergent toujours dans des roches cristallines, à l'interface avec des métasediments. Ce contact peut être normal, ou lié à des failles fragiles ou encore d'anciennes failles ductiles exhumées.3. La géochimie des eaux indique des interactions eau-roche similaires pour toutes les sources, ce qui suggère une zone de transfert aux caractéristiques communes. Les différences de température au sein d'un même groupe de source ne sont pas liées à des mélanges avec des eaux superficielles, suggérant que des conduits secondaires dérivent d'une même anomalie thermique. Dans les modèles numériques, les écoulements proviennent des hauts reliefs essentiellement dans le mur de la faille, ou circulent le long de la faille. Les températures des sources dépendent de la température acquise en profondeur, qui elle même dépend de la profondeur des écoulements. La répartition et la profondeur des écoulements dans la croûte dépend de la topographie, à la fois de l'escarpement et le long de la faille. Les hauts topographiques sont des zones d'infiltration et les bas topographiques des zones de résurgence.La compréhension de ces systèmes a d'importantes implications pour l'exploration géothermique. / Non-magmatic hydrothermal systems in mountain ranges are poorly studied compared to extensive ones. They likely involve similar processes than those highlighted for other hydro-geothermal continental systems, however questions remain about : 1) the water origin and the structures responsible for efficient infiltrations, 2) the type of pathways from depth to the hot springs, and the conservation of the draining capacity, 3) the geometry and amplitude of the thermal anomalies and subsequent fluid-rock interactions in the deep transfer zone.In Eastern Pyrénées (France), the alignment of 29 hot springs (29-73°C) along the brittle Têt fault and its related high topography allows studying these processes.The integrative analysis of remote sensing, multi-scale geological field observations and hydrothermal fluid geochemistry, provides strong constraints to establish a realistic 3D numerical model coupling heat transfers with fluid flows. From the infiltration areas to the springs at the surface, we show that :1. The hydrothermal fluids have a meteoric origin and infiltrate at high altitude (>2200 m). Three intersecting fracture sets, resulting from three consecutive tectonic stages, pervasively distribute on the infiltration areas. They probably are efficient structures to transfer fluids through the crust to the hot springs.2. Hot springs are mostly located close to the Têt fault, in its footwall, at the base of the most elevated topography. They always localize in crystalline rocks, at the interface with metasediments, related to unfaulted or faulted contacts by brittle or old ductile faults. Hot spring locations also match with intersections of brittle-fault damage zones.3. Geochemistry of hydrothermal fluids indicates similar rock-water interactions for all the springs, suggesting a transfer zone of similar lithology. There is no mixing with superficial water, suggesting that differences of temperatures between hot springs are related to multiple pathways deriving from a thermal anomaly. In numerical models, flows mainly come from high reliefs in the fault footwall, or circulate along the fault plane. Hot spring temperatures depend on the temperature reached at depth, which depends on the flow depth. Flow distribution in the crust depends on the topography, both of the fault scarp and along the fault. The tops of the topography are infiltration areas, while low elevations are resurgence areas.The understanding of fault and topography-related hydrothermal systems has strong implications for thermalism and for geothermal exploration.

Cette thèse visait à mieux définir les méthodes de ciblage et apporter des éléments de réponse sur la genèse des gisements d'or de type orogénique en périphérie des grands couloirs de déformation archéens par le biais d'approches numériques novatrices. Cette thèse est présentée sous forme de trois articles. Le premier article traite de la distribution mathématique des gisements aurifères de type orogénique le long des grands couloirs de déformation. Une approche permettant de d'établir que la localisation des gisements se situant le long de structure de premier ordre n'est pas indépendante de la localisation de ses voisins a été développée. Cette approche permet de donner des éléments de réponse sur la formation de ces gisements et de générer des probabilités de découvertes à l'échelle régionale. La deuxième partie de cette présente une méthode l'évaluation du potentiel minéral sous couverture sédimentaire en 3D. Les teneurs aurifères compilées dans le secteur ont permis d'évaluer et de quantifier les relations spatiales existantes entre certaines entités géologiques et les emplacements minéralisés afin de cibler les endroits à haut potentiel. Enfin, les travaux présentés dans le dernier chapitre visent à délimiter les zones possédant une perméabilité structurale accrue lors de l'épisode de déformation contemporain à la mise en place de gisements aurifères de type orogénique. Une modélisation géomécanique 3D qui tient compte des propriétés physiques des roches a été effectuée sur un segment de faille choisi en utilisant un code d'élément fini. La déformation s'effectue en attribuant sur chaque discontinuité structurale des vecteurs ou des champs de déplacement en fonction des observations de terrain. ______________________________________________________________________________

Cette thèse s'attache à caractériser l'évolution dans le temps et l'espace des circulations de fluides le long des failles. Une approche multidisciplinaire et multi-échelle a été mise en place sur un exemple naturel dans la région du plateau du Colorado (Utah): du terrain à la modélisation et de la proche-surface au bassin. L'étude des minéralisations en proche surface et leur lien avec le transfert le long des failles a été effectuée sur des travertins récents. L'analyse isotopique et la datation U/Th des veines de travertins révèle des cycles de circulation de fluides enrichis en CO2 et de précipitation épisodiques de carbonates de calcium (travertin) correspondant à des cycles saisonniers ou climatiques (annuels et centennals) ainsi qu'à des cycles qui s'apparentent à des cycles sismiques de l'ordre du millier d'années. Ces données permettent de calibrer le volume de CO2 qui a fuit par la faille. Des zones de paléo-circulation, témoins de l'activité des failles sur le long-terme, sont observées sous forme de blanchiment chimique ("bleaching") des grès à l'affleurement, et ont été étudiées à l'échelle du bassin. Deux épisodes principaux de circulation de fluides le long des failles ont été distingués : une première circulation durant l'enfouissement maximum puis une seconde circulation le long des réservoirs et des failles, qui est reliée à des phénomènes tectoniques régionaux, compemporains de la remontée du Plateau du Colorado. La dernière circulation s'est découpée en plusieurs pulses avec des circulations de fluides de différente nature (tels que des saumures, des fluides riches en hydrocarbures ou en CO2) au cours du temps et le long des failles. / This work aims to characterise fluid flow along faults in time and space. Multi-disciplinary and multi-scale investigations of a natural analogue have been carried out in the Colorado Plateau area (Utak, USA), from fieldwork to numerical modeling. The study of Quaternary travertine calibrated the near-surface mineralization and their relationship with the faults. Stable Isotope measurements and U/Th datings of travertine veins revealed episodic cycles of CO2-fluid circulation and related calcium carbonate precipitation (travertine). These cycles may be linked with seasonal or climatic cycles (annual and centennial) and also with seismic cycles of millennial duration. Based on the obtained data, escaping CO2 volumes from the fault zone, with time have been calibrated. Chemical bleaching of the outcropping sandstones, linked with fluids paleo-circulation at depth, has been characterized at basin scale. Two main circulation events have been distinguished: a first circulation contemporaneous to maximum burial and a second along-reservoirs and faults circulation that could be linked with later regional tectonic events, contemporaneous of Colorado Plateau rusing. Pulses of different fluids (such as brines, fluids enriched in hydrocarbons or CO2) are linked in time and space with the last circulation.

Le fluage est une déformation ductile affectant certaines failles actives, voire toutes. Il existe en effet deux types de fluage. Le premier, le fluage permanent, concerne certaines failles. La déformation s'effectue de façon continue et constante dans le temps. Le second, plus ponctuel, est fréquemment enregistré à la suite d'un séisme. On peut alors parler de déformation post-sismique. La compréhension des mécanismes à l'origine de ces deux types de fluage apparaît étroitement liée à celle de la succession des différentes phases du cycle sismique. Notre étude, basée à la fois sur des observations naturelles et sur des expérimentations de laboratoire, a démontré que le fluage résultait d'une combinaison de processus interagissant les uns avec les autres et favorisant la mise en place d'un mécanisme dominant. Nous avons mis en évidence que les deux paramètres les plus importants à l'établissement de cette dominance étaient la composition minéralogique de la roche et son état d'endommagement. Dans une zone de faille, ces deux paramètres varient avec le temps, la profondeur et avec l'éloignement à la zone de glissement. Par conséquent, les mécanismes de fluage évoluent eux aussi en fonction de ces données. Notre approche microstructurale d'échantillons provenant de la zone en fluage actif de la faille de San Andreas, fournis par le forage SAFOD, nous a permis d'établir une chronologie des déformations subies par les roches de cette zone. Un modèle d'évolution des mécanismes de fluage a ainsi émergé. Cette évolution est capable d'entretenir le fluage au cours du temps de façon permanente, soit par un enrichissement de la zone en minéraux à faible coefficient de friction, comme révélé par les échantillons de la Faille de San Andreas, soit par un équilibre entre processus de fracturation et de cicatrisation, maintenant la résistance de la roche à un seuil trop faible pour un fort chargement. Dans ce dernier cas, nos expérimentations de laboratoire ont montré que si les processus de cicatrisation devenaient dominants, il y avait création d'hétérogénéités de résistance à l'intérieur de la roche. A l'échelle d'une zone de faille, ces hétérogénéités peuvent être suffisamment importantes pour mener à l'initiation d'une rupture conséquente. Ces expériences sont analogues au cas de la Faille de San Andreas, où dans un contexte de fluage permanent, des microaspérités locales génèrent de la sismicité. / Creep is a ductile deformation mechanism affecting many, if not all, active faults. This mechanism is twofold. First, creep may be permanent, i.e. the deformation takes place through time in a continuous and constant manner. Creep may also appear in a more discontinuous manner, commonly associated with post-seismic deformation. Understanding the origin of both types of creep appears closely connected to understanding the succession of the various stages of the seismic cycle. Our approach is based both on the investigation of natural samples and on laboratory experiments. By doing so, we demonstrate that creep results from a combination of several processes themselves interacting with one another, until the promotion of one particular mechanism. We have established that the most important driving parameters to this convergence were the mineralogical composition of the host rock and its damage state. Within the fault, these parameters change with time, depth and distance from the slip zone. Therefore, the creep mechanisms themselves may change according to the parameters above-mentioned. Our micro-structural approach using SAFOD drill core samples from the San Andreas Fault (California) allowed us to unveil a time-lapsed picture of the deformation sequence in this area. Based on these observations, we suggest a conceptual model for the evolution of creep mechanisms. According to this model, creep is maintained within the fault zone either by the crystallization of low-friction minerals (as shown by the SAFOD samples) or by reaching equilibrium between fracturing and healing, thereby maintaining rock strength below the threshold for important stress loading. In the first scenario, our laboratory experiments showed that if the healing processes become dominant, strength heterogeneities appear within the rock. At the fault scale, these heterogeneities would become numerous enough to lead to a major rupture. These experiments are reasonably similar to what is expected for the San Andreas Fault where permanent creep occurs whereas local asperities are seismic.

Des études récentes menées dans la région de Sarpang au sud du centre du Bhoutan estiment un taux de glissement Holocène de 20,8 +/- 8,8 mm/an sur le chevauchement frontal himalayen (TFT). Cette valeur est basée sur un taux de surrection moyen mesuré de 8,8 +/- 2,1 mm/an et en supposant pour ce chevauchement un pendage constant de 25° +/- 5°. La géométrie des failles est un paramètre clé dans l’estimation de la vitesse de glissement et donc dans l’évaluation de l’aléa sismique. Dans le cadre de ce travail, nous avons utilisé une approche géophysique de proche surface afin d’estimer précisément la géométrie de ce chevauchement.Nous avons déployé des profils géophysiques dans trois sites clés le long de la frontière sud du Bhoutan. La première zone d'étude se trouve à Sarpang, une petite ville située au centre du Bhoutan où nous avons effectué des mesures gravimétriques, sismiques et électriques. Le deuxième site est situé à Phuentsholing dans le sud-ouest du Bhoutan, où nous avons effectué des mesures gravimétriques et de résistivité électrique. Le troisième site est situé entre Sarpang et Phuentsholing, à Lhamoizingkha dans le district de Dagana.Excepté pour la région de Lhamoizingkha, une approche d'inversion stochastique a été adoptée pour analyser des données géophysiques collectées. Contrairement aux approches couramment utilisées basées sur la recherche du modèle le plus simple, les principaux avantages de cette approche sont sa capacité (1) à mieux estimer la géométrie des zones de discontinuité car aucun lissage n'est appliqué, (2) à fournir une mesure des incertitudes sur le pendage obtenu et (3) à permettre une analyse des relations possibles entre les propriétés géométriques et celles du milieu (résistivité électrique, vitesse ou densité).Les résultats d'inversion stochastique du site de Sarpang montrent un TFT qui se caractérise par une géométrie en plat-rampe-plat avec un pendage vers le nord d'environ 20°-30° dans la partie la plus superficielle (profondeur < 5 m), un pendage fort de 70° entre 5 m et 40 m de profondeur et un l'aplatissement avec un pendage de 20° au-delà de 40 m. Ces nouveaux résultats nous permettent d'estimer un taux minimal de glissement de 10 +/- 2 mm/an sur le TFT, soit environ 60% des 17 mm/an associés au taux de convergence GPS moyen obtenu en champ lointain. Sur la base de ces contraintes, il apparait donc qu’on ne puisse pas exclure la possibilité que la déformation soit distribuée sur plusieurs failles, comprenant le TFT, mais également d’autres chevauchements comme le MBT (au nord) ou le FBT (au sud). De plus, en supposant un taux de glissement constant, les variations de pendage obtenues induisent des variations du taux de surrection en fonction de la distance au TFT. Cela souligne les faiblesses des hypothèses couramment faites pour estimer les taux de glissement Holocène sur les failles sismogènes : (1) pendage constant estimé uniquement à partir des observations de surface et (2) estimations du taux de surrection en supposant une surrection identique pour une terrasse fluviale donnée.Contrairement à Sarpang, à Phuentsholing le TFT correspond au chevauchement frontal himalayen (MFT). Sur ce site, l’étude préliminaire que nous avons menée suggère un MFT ayant une géométrie de faille listrique. Des mesures de datations doivent maintenant être effectuées pour estimer le taux de glissement sur le MFT dans cette zone. Dans la région de Lhamoizingkha, l'emplacement exact du MFT n'est pas connu. Nos résultats préliminaires suggèrent une géométrie complexe de la trace de la faille en surface et indiquent que le MFT est situé plus au nord de la ligne de résistivité déployée dans cette zone. À l'instar du site de Phuentsholing (mais contrairement à Sarpang), nous avons observé que le MFT était la structure la plus frontale et que l’essentiel de la convergence dans cette zone pouvait être accommodé par le MFT, comme semble le suggérer les observations GPS. / Recent studies based on surface observations from Sarpang area in southern-central Bhutan have estimated the Holocene slip rate of 20.8+/-8.8 mm/year. This value is based on a mean vertical uplift rate of 8.8+/-2.1 mm/year and assuming a constant frontal thrust dip angle of 25°+/-5° extrapolated from structural measurements. Since geometry of the fault is a key parameter for discerning the slip rate and its associated seismic hazard assessment, we employed near-surface geophysical approach to accurately constrain the Topographic Frontal Thrust (TFT) geometry at shallow depth. Based on proven effectiveness of near-surface geophysical techniques for studying active faults, we adopted gravity, seismic and electrical resistivity tomography.We deployed geophysical profiles at three key sites along the southern frontal areas of the Bhutan Himalayas. The first study area is in Sarpang, a small town located in southern-central Bhutan where we performed all three geophysical methods adopted. The second site is located in Phuentsholing in the south-western Bhutan, where we performed gravity and electrical resistivity survey. The third site is located between Sarpang and Phuentsholing, in the sub-district of Lhamoizingkha under Dagana district.A stochastic inversion approach was adopted to perform analysis of geophysical data collected from the above sites expect for Lhamoizingkha area. Unlike commonly used approaches based on search for the simplest model, the main advantages of this approach include its ability (1) to assess the fault geometry because no smoothing is applied, (2) to provide a measurement of the uncertainties on the obtained dip angle and (3) to allow trade-off analysis between geometric and either electrical resistivity, velocity or density properties.The stochastic inversion results from Sarpang site show a TFT that is characterized by a flat and listric-ramp geometry with a north dipping dip angle of ca 20°-30° at the upper depth of 0-5 m, steeply dipping angle of 70° in the middle 5-40 m depth and flattening with a dip angle of 20° at deeper depths. These new results allow us to estimate a minimum overthrusting slip rate of 10+/-2 mm/year on the TFT, which is about 60% of the far-field GPS convergence rate of ca 17 mm/year. Based on these constraints we propose that, in Sarpang site, significant deformation partitioning on different faults including the TFT, the Main Boundary Thrust (MBT) and the Frontal Back Thrust (FBT) cannot be ruled out. More importantly, assuming a constant slip rate, the dip angle variations constrained from the present study, corresponds to variations in the uplift rate with distance from the TFT. This, therefore, emphasizes the drawbacks in assuming constant dip angle measured from surface observations and uplift rate estimates based on terrace dating only at the front, which may significantly bias the slip rate estimation.Unlike in Sarpang, the TFT corresponds to the Main Frontal Thrust (MFT) in Phuentsholing. At this site a preliminary study suggests a MFT characterized by a flat and listric-ramp geometry. With additional terrace dating information, slip rate for the Phuentsholing area will be performed in a near future. Overall based on the stochastic inversion results, we propose a MFT geometry similar to that observed in Sarpang but with possible lateral variations in terms of deformation partitioning. In Lhamoizingkha area, the exact location of the MFT is not known. Our preliminary results suggest a complex fault trace and indicate that the MFT is located further north of the current resistivity line deployed in this area. Similar to Phuentsholing site (but contrary to Sarpang), we observed that the MFT is the most frontal structure and therefore most of the convergence in the area could be accommodated by the MFT, which is also in agreement with GPS observations.

La modélisation numérique de la propagation des failles décrochantes est essentielle à notre compréhension du comportement mécanique long terme de la lithosphère. Dans un premier temps, nous avons cherché à reproduire la déformation intersismique autour d'une faille préexistante. Cette modélisation du chargement intersismique a permis de déterminer quelle rhéologie et quel type de chargement, justifiables mécaniquement et géologiquement, étaient nécessaires à l'obtention d'une déformation de surface cohérente avec les mesures géodésiques. Pour un déplacement latéral tel qu'imposé par le mouvement long terme des plaques, il faut imposer une hétérogénéité structurelle à l'aide d'une zone de faible viscosité sous la partie bloquée de la faille. Dans un second temps, nous avons étudié la propagation d'une faille à l'aide de la mécanique de l'endommagement. Cette approche permet de prédire l'évolution de l'endommagement sans prédéterminer le chemin de propagation, et de faire le lien avec la théorie de Griffith. Nous avons amélioré cette approche en introduisant une contrainte tangentielle résiduelle sur la faille qui s'apparente à l'introduction de friction sur les plans de faille, et en permettant l'utilisation, pour la première fois en mécanique de l'endommagement, de méthodes de résolutions mixtes. Ces développements ont permis de décrire dans des cas simples l'évolution d'une faille, ouvrant ainsi la voie à l'utilisation de nouveaux types de modèles de croissance et de propagation des failles. / Numerical modelling of strike-slip faults propagation is essential to understand the long-term mechanical behavior of the lithosphere. Firstly, we aim to reproduce the interseismic deformation of a preexisting fault. The modelling of this interseismic regime enables us to determine what rheology and loading, both mechanically and geologically justifiable, are required to obtain a surface deformation that matches the geodetic measurements. When the lateral displacement is due to the long-term plates motion, a structural heterogeneity has to be imposed by the mean of a weak viscous zone beneath the locked fault. Secondly, we study fault propagation by using damage mechanics. This approach allows the prediction of damage evolution, without previously knowing the propagation path, and makes the link with the Griffith's theory. We improve this approach with the introduction of a residual tangential stress on the fault that is similar to fault planes friction, and we use mixed resolution methods, which represents a novelty in damage mechanics. These developments make possible the description of fault evolution for simple cases, and open the way towards the use of new growth and propagation fault models