Depuis maintenant une dizaine d'années, la vision du cycle sismique en zone de subduction a beaucoup évolué. Des découvertes récentes ont mis en évidence une grande diversité des régimes de glissement dans ces zones, avec notamment des glissements asismiques transitoires appelés « séismes lents » (SSE) et des vibrations de faibles amplitudes, persistantes dans le temps, appelées « trémors non volcaniques » (NVT). Ce travail a pour objectif l'étude des trémors non volcaniques afin de caractériser ces nouvelles manifestations des zones de faille. Nous avons abordé ce problème avec deux approches distinctes :1. Observer les trémors dans le milieu naturel afin de déterminer leurs caractéristiques. La zone étudiée correspond à la lacune sismique de Guerrero le long de la subduction mexicaine. Nous avons développé une méthode de détection et de localisation des NVT au Mexique grâce à des analyses d'antennes par formation de voie sur les corrélations. Cette méthode permet de mettre en évidence cer taines caractéristiques des NVT : une complexité des sources pour un épisode de trémors, une corrélation entre les activités de NVT et les pics de vitesse des glissements lents à plus long terme. Par ailleurs, l'étude de l'impact du séisme de Maule (2010, Chili, Mw 8.8) au Mexique montre qu'il a déclenché le second sous évènement du séisme lent de 2009-2010. Ce déclenchement d'un SSE s'ac- compagne de fortes activités de trémors, modulées par les ondes du séisme de Maule dans un premier temps, puis simplement associées au SSE.2. Modéliser les trémors expérimentalement et numériquement pour mieux com- prendre leur origine physique et leurs évolutions sur le long terme. Nous avons en particulier utilisé une expérience de frottement à faible vitesse qui indique une corrélation systématique entre les accélérations d'un glissement et l'émission de signaux qui ressemblent à des NVT. Une modélisation numérique de la zone de subduction mexicaine est également présentée et montre la possibilité de reproduire des trémors en considérant une transition d'affaiblissement critique associée à un processus de décrochage. / The vision of the seismic cycle in subduction zones has considerably evolved over the last 10 years. New discoveries has pointed the diversity of slip behaviors in these zones with aseismic slow slip called « slow slip events » (SSE) and persistent low amplitudes vibrations called « non-volcanic tremors » (NVT). The goal of this thesis is to study the non-volcanic tremors in order to characterize these new manifestations of fault zones. We used two different approaches: 1. We first observed the non-volcanic tremors in the nature in order to characterize this phenomenon. The area of interest is the Guerrero seismic gap along the Mexican subduction zone. We develop a new detection and location method based on beamforming of correlations of seismic signals. This new method exhibits some characteristics of NVT: a complex source for a single tremor episode and a correlation between the NVT episodes and the long-term peak of movement velocity in southwards direction. Moreover, the study of the consequences of the Maule earthquake on the Mexican subduction zone showed that this earthquake triggered the 2009-2010 SSE in Guerrero. This triggering of slow slip is accompanied by strong seismic tremor actvity that are first modulated by the passing waves and then associated to the SSE. 2. We model numerically and experimentally the tremors in order to better understand their physical origin and their long-term evolution. We used a very slow friction experiment that indicates a systematic correlation between slip acceleration of a slider and emission of acoustic signals that are similar to NVT. A numerical modeling of the Mexican subduction zone is also presented and shows the possibility to reproduce NVT with a critical depinning transition.

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

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

Neste trabalho apresenta-se um modelo numérico para a análise de problemas tridimensionais envolvendo a interação mecânica estaca-solo, acoplando-se o Método dos Elementos de Contorno (MEC) ao Método dos Elementos Finitos (MEF). O solo é modelado com o MEC utilizando-se as soluções fundamentais de Mindlin, assumindo um meio semi-infinito, homogêneo, isotrópico e elástico-linear. As estacas, modeladas com o MEF, consistem em um elemento único, com quatro nós e 14 parâmetros nodais (três deslocamentos em cada nó e mais duas rotações no topo da estaca). Cada uma das estacas é levada em consideração no MEC como uma linha de carga. Considera-se o escorregamento das estacas em relação ao maciço, empregando modelos de aderência para a definição da evolução das tensões tangenciais ao longo do comprimento das estacas. São empregados, como funções de forma, polinômios do quarto grau para os deslocamentos horizontais, cúbicos para os deslocamentos verticais e tensões horizontais ao longo do fuste e quadráticos para as tensões verticais do fuste e escorregamento. A reação da ponta da estaca é calculada assumindo tensão constante na base. / This work presents a method for tri-dimensional pile-soil interaction problems, by coupling the Boundary Element Method (BEM) to the Finite Element Method (FEM). The soil is modeled with BEM, using the Mindlins fundamental solutions, supposing a semi-infinite, homogeneous, isotropic, elastic and linear space. Piles are modeled with FEM and are represented by one element with four nodes and 14 nodal parameters (three displacements in each node and two rotations at the top node). Each pile is represented in BEM as a line load. The pile slip is considered using adherence models to evaluate the evolution of shaft tractions. There are employed fourth grade polynomial shape functions for horizontal displacements, cubic polynomial functions for vertical displacements and horizontal tractions along shaft and quadratic polynomial functions for vertical tractions and slip. Tip reaction is calculated supposing constant traction at the base.

The structure and regional tectonic setting of an exhumed, 9.3-km long, left-lateral strike-slip fault zone eludicates processes of growth, linkage, and termination for strike-slip fault zones in granitic rocks. The Gemini fault zone is composed of three steeply dipping, southwest-striking, noncoplanar segments that nucleated and grew along preexisting joints. The fault zone has a maximum slip of 131 m and is an example of a segmented, hard-linked fault zone in which geometrical complexities of the faults and compositional variations of protolith and host rock resulted in nonuniform slip orientations, complex interactions at fault segments, and an asymmetric slip-distance profile. Regional structural analysis shows that joints and left-lateral fault zones have accommodated slip within a 4.8-km wide, right-lateral monoclinical kink band with vertical fold axes and northwest-striking axial surfaces. Geometric modeling of the kink band indicates that as little as 1.1 km of right-lateral displacement across the kink band may have produced the observed slip on kilometer-scale faults within the kink band.

Field studies in the southwest Salton Trough between Yaqui Ridge and Borrego Mountain show that the West Salton detachment fault was active during the Pliocene and may have initiated during the latest Miocene. At Yaqui Ridge dominantly east-directed extension is recorded by slickenlines on the NW-striking detachment fault, and shows that the fault is actually a low-angle dextral oblique strike-slip fault. Crustal inheritance is responsible for the position of the fault at Yaqui Ridge, which reactivates a late Cretaceous reverse -sense mylonite zone at map scale. Late Miocene to Pliocene basin fill deposits at Borrego Mountain display progressive unconformities, contain detritus shed from the footwall and damage zone of the West Salton detachment fault, record the growth of a large hanging wall anticline, and document the initiation and evolution of the West Salton detachment fault. The Borrego Mountain anticline is a major hanging wall growth fold that trends - N60 °W and has at least 420 m of structural relief. The late Quaternary Sunset conglomerate is - 600 m thick, lies in angular unconformity on Pliocene basin fill, is bound on the SW by the dextral oblique Sunset fault, and coarsens upward and SW toward the fault. It is dominated by plutonic lithologies from nearby areas, contains up to 10% recycled sandstone clasts from Pliocene deposits, and was shed from the SW side of the then-active Sunset fault. Based on lithologic, stratigraphic, compositional similarities, we correlate this conglomerate to part of the - 1. I - 0.6 Ma Ocotillo Formation. The West Salton detachment fault was folded and deactivated at Yaqui Ridge by the dextral oblique San Felipe fault zone starting - 1. l - 1.3 Ma. The Sunset fault is in the middle of a complex left stepover between the San Felipe fault to the NW and the Fish Creek Mountains fault to the SE. Structural analyses and mapping show that syntec tonic conglomerate, the West Salton detachment fault, and footwall crystalline rocks all have similar fold geometries and record similar amounts of NE-SW shortening. The dominant SE-trending population of slip vectors on the Sunset fault is not present on the West Salton detachment fault and suggests limited or no activation of the older detachment fault by the younger fault zone.

En Méditerranée orientale, l’arc de Chypre est une frontière géologique majeure où interagissent les plaques Arabie, Afrique, Eurasie et la microplaque anatolienne. Il constitue la limite Nord du bassin du Levant (croûte continentale amincie étirée) et du bassin d’Hérodote (croûte océanique). L’arc de Chypre est directement lié à la convergence vers le Nord de la plaque Africaine sur la plaque Eurasienne depuis la fin du Crétacé. Dans la région Egéenne, l’indentation de la plaque Arabique sur la partie orientale de la plaque Anatolienne d’une part, et l’effet « roll back » du plan de subduction africain dans la partie occidentale de la plaque Anatolienne d’autre part, ont pour conséquence l’expulsion de l’Anatolie depuis la fin du Miocène à aujourd’hui, ce qui se traduit par un décrochement le long de l’arc de Chypre, se prolongeant sur l’île de Chypre. Plusieurs questions scientifiques concernant le cadre géologique de la région ont été étudiées au cours de ce projet. Comment la déformation est-elle intégrée dans le système de l'Arc de Chypre ? La variation crustale de chaque domaine affecte-t-elle le style de déformation ? Comment cette déformation est-elle enregistrée dans les sédiments de l’île de Chypre ? Comment ces déformations (Onshore / Offshore) peuvent être connectées au contexte géodynamique régional ? Afin de répondre à ces questions scientifiques, des données sismiques de réflexion 2D ont été utilisées, et ont permis d’imager les structures principales et leur évolution spatiale dans les parties Sud et Orientale de Chypre. L'interprétation de ces données conduit à l'identification de neuf unités tectono-sédimentaires dans trois différents domaines de la croûte crustale au sud du système de l'Arc chypriote: (1) le bassin du Levant (croûte continentale amincie), (2) le micro-continent d'Eratosthène (croûte continentale) et (3) le bassin d'Hérodote (croûte océanique). Dans ces domaines, de nombreuses structures tectoniques ont été documentées et analysées afin de comprendre le mécanisme et le timing de la déformation. À la limite nord du domaine du bassin du Levant, des accidents majeures chevauchants vers le Sud ont été documentés dans le bassin de Chypre, commençant au début du Miocène et enregistrés par les failles de Larnaca et de Margat. La faille Latakia n’a quant à elle enregistré aucune activité pendant cette période. L'apogée de la déformation s'est produite du Miocène moyen jusqu’à la fin du Miocene, l'activité de la faille de Latakia indiquant la propagation vers le Sud du front de déformation. Cette migration vers le sud a été documentée à partir du développement de bassins flexuraux et des chevauchements stratigraphiques dans le bassin de Chypre. Les pulses tectoniques successifs depuis la fin du Miocène jusqu’à aujourd’hui, sont indiquées par les discordances angulaires et les bassins piggy back. Pendant la période Plio-Pléistocène, l’expulsion vers l'ouest de la microplaque anatolienne a entraîné la réactivation des structures existantes. L'évolution de la déformation le long de la limite de la plaque est identifiée à partir de la création de structures en fleur positives révélant des mouvements transpressifs le long des failles Larnaca et Latakia (domaines orientaux). Le domaine central comprend le mont sous-marin d'Eratosthène qui se caractérise comme une plate-forme carbonatée mésozoïque recouverte d'une mince séquence sédimentaire allant des dépôts Messinien aux dépôts Pléistocène. / The Cyprus Arc system is major plate boundary of the Eastern Mediterranean where different plates interact, namely Arabia, Africa, Eurasia, as well as the Anatolian micro-plate. It constitutes the northern boundary of the Levant Basin (of thin stretched continental crust) and the Herodotus Basin (of oceanic crust). The Cyprus Arc is directly linked with the northward convergence of the African continental plate with respect to the Eurasian continental plate since Late Cretaceous time. The indentation of the Arabian plate and the slab pull effect of the African plate roll back in the Aegean region on the eastern and western part of the Anatolian plate respectively, leads to the westward escape of Anatolia from Late Miocene to Recent, which results in a strike-slip component along the Cyprus Arc system and onshore Cyprus. Several scientific questions with regard to the geological setting of the region were investigated during this project. How is the deformation accommodated at the Cyprus Arc system? Is this deformation style affected by the variation of the crustal nature at each domain? How is this deformation recorded on the sedimentary pile onshore Cyprus? How does the onshore and offshore deformation connect within the geodynamic context of the region? In order to answer these scientific questions, 2D reflection seismic data were utilized, that image the main plate structures and their lateral evolution south and east of Cyprus. Interpretation of these data lead to the identification of nine tectono-sedimentary packages in three different crustal domains south of the Cyprus Arc system: (1) The Levant Basin (attenuated continental crust), (2) The Eratosthenes micro-continent (continental crust) and (3) The Herodotus Basin (oceanic crust). Within these domains, numerous tectonic structures were documented and analysed in order to understand the mechanism and timing of deformation. At the northern boundary of the Levant Basin domain, thrust faults verging towards the south were documented in the Cyprus Basin with the thrust movement commencing in Early Miocene time as indicated by on the Larnaca and Margat Ridges. On the Latakia Ridge no activity was identified during this time interval. The acme of deformation occurred in Middle to Late Miocene time, with the activity of the Latakia Ridge indicating the forward propagation of the deformation front towards the south. This southward migration was documented from the development of flexural basins and from stratigraphic onlaps in the Cyprus Basin. Successive tectonic pulses through the Late Miocene until Recent times, are indicated from the angular unconformities and the piggy back basins. In Plio-Pleistocene time, the westward escape of the Anatolian micro-plate resulted in the reactivation of existing structures. The evolution of deformation along the plate boundary is identified from the creation of positive flower structures revealing transpressive movements along the Larnaca and Latakia Ridges (eastern domains). The central domain includes the Eratosthenes Seamount which is characterized as a Mesozoic carbonate platform covered by a thin sequence of sediments ranging from Miocene-Messinian to Pliocene-Pleistocene depositions.

Ce travail comporte deux parties. La première partie est une étude bibliographique sur la modélisation du frottement sec et sur les différentes lois de frottement qui ont été introduites pour rendre compte des instabilités du mouvement des solides soumis à la friction sèche. La deuxième partie est une étude théorique et numérique d'un problème modèle dynamique où une lois de type Coulomb avec coefficient de frottement dépendant de la vitesse de glissement est appliquée à un solide élastique. Le cadre des inclusions différentielles est introduit pour traiter rigoureusement les modèles à nombre fini de degré de liberté et à pression de contact imposée. Ce cadre sert ensuite à l'analyse en détail d'un problème unidimensionnel d'une couche élastique glissant avec frottement sur une fondation rigide plane. On montre l'existence et l'unicité de la solution lorsque le coefficient de frottement est croissant, mais lorsque celui-ci comporte au moins une portion décroissante, ce qui est le cas dans la plupart des modélisation, on montre que le problème admet en général une infinité de solutions. Cela amène à considerer un critère de choix de solution appelé critère de retard maximal. Par ailleurs, on introduit une condition de frottement perturbée qui consiste en l'ajout d'une masse de surface et qui redonne aussi l'unicité de la solution. On montre le lien entre le critère de retard maximal et cette condition perturbée. On présente aussi des schémas numériques, des résultats de stabilité et de convergence, ainsi que des expériences numériques. On donne enfin des perspectives pour les problèmes en dimension deux ou trois. On présente des simulations numériques significatives, obtenues à l'aide d'un schéma numérique basé sur une méthode de type directions alternées, et sur la perturbation par une masse de surface.

La réponse à des vibrations et l'étude de la stabilité des pentes ont une place particulière dans l'étude des milieux granulaires. Ces études peuvent d'une part nous renseigner sur le comportement des milieux granulaires présents dans le milieu naturel et souvent soumis à ces deux types de sollicitations (avalanches de grains, éboulements de roches, dynamique des dunes, tremblements de terre, ...). D'autre part, elles permettent d'appréhender ces milieux comme des systèmes modèles hors équilibre et d'analyser les résultats à la lumière de ceux obtenus sur la dynamique des systèmes vitreux. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement par des méthodes optiques et acoustiques la réponse d'un milieu granulaire lentement incliné. La dynamique présente deux régimes : un régime de petits réarrangements indépendants et localisés est suivi d'un régime intermittent caractérisé par de grands événements de type "précurseurs" au voisinage de l'angle d'avalanche. Ce régime dit de "précurseurs" correspond à un mouvement collectif de l'ensemble des grains situés à la surface de l'empilement. Nous mettons en évidence l'importance du détail microscopique de l'interaction entre les grains et de la condition à la limite à la base de l'empilement sur la dynamique du système dans ce régime. La dynamique globale du système a été étudiée et comparée à un modèle simple de type automate cellulaire. Dans un second temps, nous avons étudié numériquement la réponse d'un milieu granulaire soumis à des vibrations. Le comportement du système présente des caractéristiques qui sont communes à tous les systèmes hors équilibre (distributions non-gaussiennes des déplacements, ralentissement et hétérogénéités de la dynamique,...). L'influence de la condition à la limite au fond de l'empilement sur la structuration de celui-ci et sur le ralentissement de la dynamique a également été discutée. Nous avons, en particulier, mis en évidence une zone d'épaisseur environ égale à 5 diamètres de grains où des hétérogénéités dynamiques et de fortes corrélations entre les mouvements des grains apparaissent.

Recently, mostly due to global warming concerns and high oil prices, electric vehicles have attracted a great deal of interest as an elegant solution to environmental and energy problems. In addition to the fact that electric vehicles have no tailpipe emissions and are more efficient than internal combustion engine vehicles, they represent more versatile platforms on which to apply advanced motion control techniques, since motor torque and speed can be generated and controlled quickly and precisely. The chassis control systems developed today are distinguished by the way the individual subsystems work in order to provide vehicle stability and control. However, the optimum driving dynamics can only be achieved when the tire forces on all wheels and in all three directions can be influenced and controlled precisely. This level of control requires that the vehicle is equipped with various chassis control systems that are integrated and networked together. Drive-by-wire electric vehicles with in-wheel motors provide the ideal platform for developing the required control system in such a situation. The focus of this thesis is to develop effective control strategies to improve driving dynamics and safety based on the philosophy of individually monitoring and controlling the tire forces on each wheel. A two-passenger electric all-wheel-drive urban vehicle (AUTO21EV) with four direct-drive in-wheel motors and an active steering system is designed and developed in this work. Based on this platform, an advanced fuzzy slip control system, a genetic fuzzy yaw moment controller, an advanced torque vectoring controller, and a genetic fuzzy active steering controller are developed, and the performance and effectiveness of each is evaluated using some standard test maneuvers. Finally, these control systems are integrated with each other by taking advantage of the strengths of each chassis control system and by distributing the required control effort between the in-wheel motors and the active steering system. The performance and effectiveness of the integrated control approach is evaluated and compared to the individual stability control systems, again based on some predefined standard test maneuvers.