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

La découverte récente de roches mantelliques à l'affleurement en pied de marge continentale passive, à la limite entre la croûte continentale amincie et la croûte océanique, a remis en question les modèles d'extension de la lithosphère continentale. Deux approches ont été choisies ici pour essayer de comprendre les mécanismes d'amincissement de la lithosphère continentale et de remontée du manteau sous une zone de rift: (1) une approche expérimentale sur modèles réduits analogiques dimensionnés, comparés à des modèles analytiques et (2) une étude pétro-structurale des péridotites et des roches du socle continental de la marge profonde de la Galice. Les modèles montrent que la déformation de la lithosphère, assimilée à une multicouche fragile-ductile, est guidée par l'amplification d'instabilités dues à l'hétérogénéité verticale de la structure rhéologique; en extension, ces instabilités développent le boudinage des niveaux les plus résistants (croûte supérieure et manteau superficiel pour une lithosphère stable de 100 à 120 km d'épaisseur). Ce boudinage est accomodé dans les niveaux ductiles découplants (croûte inférieure et manteau lithosphérique) par la création d~ zones de cisaillement en faille normale. Le couplage des niveaux résistants contrôle la largeur et le degré de symétrie interne de la zone lithosphérique déformée. Ce modèle mécanique de formation des marges par boudinage montre en particulier que la remontée du manteau sous une zone de rift jusqu'à la surface peut être une conséquence directe de l'amincissement de la lithosphère; le dôme mantellique est symétrique, tandis que la structure interne de la lithosphère amincie peut être asymétrique. L'étude pétro-structurale des péridotites serpentinisées de la marge de la Galice a montré qu'elles ont subi une fusion partielle limitée dans les conditions du faciès à plagioclase, compatible avec une décompression adiabatique pendant leur remontée. Elles ont été mylonitisées pendant leur mise en place dans la lithosphère dans une zone de cisaillement à rejet normal à faible pendage vers le continent, puis ont subi une déformation cassante et une serpentinisation tardive en arrivant près de la surface. Cette évolution et la cinématique de la déformation sont compatibles avec la montée d'un dôme mantellique à l'aplomb de la zone ' lithosphérique amincie pendant la phase de rifting continental qui a précédé l'océanisation. Le modèle de boudinage est appliqué à la formation de la marge de la Galice, en tenant compte des contraintes apportées par la structure et l'évolution de la marge et des péridotites.

La restauration structurale a pour objectifs de déterminer la géométrie passée des roches et de valider les interprétations structurales. Les méthodes classiques sont basées sur des hypothèses géométriques et/ou cinématiques, et imposent un style de déformation. Les méthodes géomécaniques, en intégrant le comportement élastique des roches et les lois fondamentales de conservation mécanique, visent à résoudre les problèmes des méthodes classiques. Toutefois, il y a des incertitudes sur le choix des paramètres élastiques, et les contraintes de maillage rendent difficile l’utilisation de cette méthode comme un outil de validation des interprétations structurales. Le choix d’une méthode de restauration en particulier est rendu difficile par le fait qu’il y ait plusieurs approches de restauration géomécanique, en plus des nombreuses méthodes géométriques et cinématiques. Cette thèse présente en premier lieu une revue des différentes méthodes géomécaniques 3D visant à déplisser et annuler l’action des failles dans un modèle géologique. L’objectif de cette revue est de présenter les forces ainsi que les limites, théoriques et pratiques, de chaque méthode. Dans un second temps, à travers la restauration d’un modèle analogique (sandbox), nous présentons nos travaux sur le choix de conditions aux limites appropriées pour obtenir un modèle restauré cohérent. Ce modèle structural expérimental a été déformé en laboratoire et présente plusieurs analogies avec des structures extensives postérieures à une base salifère. Grâce à l’observation de l’évolution temporelle de la géométrie du modèle analogique sur une coupe, nous montrons qu’une condition aux limites correspondant à un raccourcissement latéral est nécessaire. Ce raccourcissement peut être estimé par la méthode de la surface transférée. De plus, nous définissons de nouvelles conditions aux limites de contacts de failles pour restaurer correctement le réseau de failles complexe du modèle analogique. Ces nouvelles conditions lient les bords internes des surfaces de failles et connectent les composantes connexes des failles coupées et déplacées par des failles plus récentes. Troisièmement, le test de différents paramètres élastiques indique que le module de Young, défini homogène au sein d’un modèle géologique, n’a quasiment pas d’effet sur le champ de déplacement. Toutefois, le coefficient de Poisson a un impact significatif sur la dilatation volumique. Dans un dernier temps, nous comparons la restauration géomécanique avec une méthode géométrique qui repose sur un modèle chronostratigraphique (GeoChron) qui fait une bijection de chaque point du sous-sol avec son équivalent dans l’espace de dépôt (Wheeler). Nous montrons que les deux approches de restauration fournissent des modèles restaurés du modèle analogique qui sont similaires géométriquement. La méthode géométrique a de nombreux avantages pour obtenir rapidement et avec précision le modèle restauré, mais elle manque de flexibilité sur le choix des contraintes de la déformation. La force de la méthode géomécanique est de pouvoir définir des conditions aux limites personnalisées et des comportements mécaniques spécifiques pour gérer les contextes mécaniquement complexes / Structural restoration aims to recover rock paleo-geometries and to validate structural interpretations. The classical methods are based on geometric/kinematic assumptions and impose a style of deformation. Geomechanical methods, by integrating rock elastic behavior and fundamental mechanical conservation laws, aim to solve issues of classical methods. However several studies show that the geomechanical restoration lacks physical consistency in particular because of the boundary conditions. There are uncertainties on the choice of the elastic properties, and the meshing constraints limit this method to be used as a validation tool of structural interpretations. The choice of a specific restoration method is difficult because there are many geomechanical restoration approaches, in addition to the numerous geometric/kinematic methods. Firstly, this thesis presents a review of the various 3D geomechanical methods to unfold and unfault a 3D geological model. The objective is to present their, theoretical and practical, strengths and limits. Secondly, through the restoration of a structural sandbox model, we worked on the choice of adequate boundary conditions to get a proper restored model. This structural sandbox model was deformed in laboratory and presents several analogies with supra-salt extensional structures. Thanks to the observation of the analog model geometry through time on a cross section, we show that a lateral shortening boundary condition is necessary. We show that this shortening can be estimated by the area-depth method. Moreover we define new fault contact conditions to handle complex fault networks. These novel conditions tie internal fault borders and join parts of offset faults. Thirdly, the test of several elastic parameters shows that Young’s modulus, homogeneous within a geological model, has almost no effect on the restoration displacement field. However, Poisson’s ratio has a significant impact on the volume dilatation. Finally, we compare the mechanics-based restoration method with a geometric-based method relying on a chronostratigraphic model (GeoChron) mapping any point of the subsurface to its image in depositional (Wheeler) space. We show that both methods provide a geometrically similar restored state for the analog model. The geometric method has numerous advantages to quickly and accurately get a restored model, but it lacks flexibility on the choice of the deformation constraints. The geomechanical restoration method force is to define custom boundary conditions and specific mechanical behaviors to handle complex contexts

La modélisation analogique effectuée consiste à déformer une couverture stratifiée (représentée par des feuillets de paraffine calibrés : niveaux compétents, séparés par un enduit degraisse aux silicones = niveaux incompétents) qui peut glisser sur son socle rigide, par un poinçon simulant une écaille (représentée par un bloc indéformable) et agissant soit par son déplacement dans le plan des couches, soit par son poids, perpendiculairement à celles-ci. Par nécessité de schématisation le rôle tangentiel du poinçon est séparé de son rôle gravitaire en deux expériences distinctes. Des règles de répartition des structures obtenues sont déduites de ces modèles contrôlés. Les résultats de la modélisation sont ensuite testés sur deux exemples de terrain. L'arc du front pennique valaisan, qui parait, cartographiquement, dû à un ecoulement entre les deux poinçons passifs du Mont Blanc et de l'Aar, ne peut pas en fait être interprété en termes de poinçonnement horizontal. C'est la surrection tardive des massifs bordiers qui provoque la forme arquée du front des nappes. L'arc du Jura correspond mieux aux résultats expérimentaux. Les structures analysées dans cette région semblent tout à fait compatibles avec un glissement et une déformation contrastée en zones concentriques, de la couverture sédimentaire sur son socle. La mise en mouvement serait due à la poussée vers le NW du Bassin molassique suisse, lui-même indéformé et déplacé sous l'influence des schevauchement crustaux alpins plus méridionaux. La confrontation des données expérimentales et de terrain permet de donner les règles utilisables pour déterminer si un ensemble de structures est bien le résultat du déplacement d'une écaille chevauchante agissant par poinçonnement de son avant pays. Les deux tests effectués sur le terrain montrent que ces règles sont réellement pratiques et discriminantes. Il en ressort qu'il est surtout important de distinguer entre les déformations situées au front du poinçon (forte amplitude des plis, déversements et chevauchements, structures imbriquées, extension perpendiculaire aux directions structurales axiales) et celles qui sont situées à son flanc (moindre amplitude des plis, extension parallèle aux axes, décrochement...) .