Localized geodetic deformation of an approximately arctangent shape around locked strike-slip faults is widely reported, but there are also important exceptions showing distributed interseismic deformation. Understanding the controlling mechanism is important to the interpretation of geodetic observations for hazard assessment and geodynamic analysis. In this thesis, I use simple finite element models to separately study the two major contributors to the deformation: far-field loading and previous earthquakes. The models feature a vertical strike-slip fault in an elastic layer overlying a viscoelastic substrate of Maxwell or Burgers rheology, with or without weaknesses representing extensions of the fault either along strike or to greater depth. If the locked fault is loaded only from the far field without the effects of previous earthquakes, localized deformation occurs only if local mechanical weaknesses below the fault and/or somewhere along strike are introduced. I first show that the effects of far-field loading are rather limited even in the presence of extreme weaknesses. Then I use idealized earthquake cycle models to investigate the effects of past seismic events in a viscoelastic Earth. I demonstrate that, after a phase of fast postseismic deformation just after the earthquake, the localization of interseismic deformation is controlled mainly by the recurrence interval of past earthquakes. Given viscosity, shorter recurrence leads to greater interseismic localization, regardless of the rheological model used. The presence of a low-viscosity deep fault zone does not change this conclusion, although it tends to lessen localization by promoting faster postseismic stress relaxation. Distributed interseismic deformation, although less reported in the literature, is a natural consequence of very long recurrence and in theory should be as common as localized deformation. The apparent propensity of the latter is likely associated with the much greater quantity and better quality of geodetic observations from higher-rate and shorter-recurrence faults. Using viscoelastic earthquake-cycle models, I also explore the role of nearby earthquakes and creeping segments along the same fault. For faults of relatively short recurrence, frequent ruptures of nearby segments, modelled using a migrating rupture sequence with or without temporal clustering, further enhance localization. For faults of very long recurrence, faster near-fault deformation induced by a recent earthquake may give a false impression of localized interseismic deformation. / Graduate

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22755号 / 工博第4754号 / 新制||工||1743(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 清野 純史, 教授 高橋 良和, 准教授 古川 愛子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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.

Globally, deformation along obliquely converging plate margins produce a wide variety of complex fault patterns, including crustal pop-ups, fault duplex structures, restraining bends, and flower structures. Depending on the plate velocity, plate obliquity, crustal rheology, length-scale, and climate, the evolution of faulting into translational and vertical strain can range in complexity and fault slip partitioning (i.e. vertical vs. horizontal strain). In this dissertation I studied two restraining bends to understand how these factors influence patterns of deformation along two major plate boundaries: The North American-Caribbean and the North AmericanPacific plate boundaries. First, I estimate the exhumation and cooling history along the Blue Mountains restraining bend in Jamaica using multiple thermochronometers. Three phases of cooling have occurred within Jamaica: 1) initial rock crystallization and rapid emplacement of plutons from 75-68 Ma, 2) slow cooling from 68-20 Ma, and 3) two-stage exhumation from 20 Ma – Present. During the most recent phase of Jamaica’s cooling history, two stages of exhumation have been identified at 0.2 mm/yr (20 – 5 Ma) and ~1 mm/yr (5 Ma – Present). Given the plate velocity to exhumation rate ratio during the most recent phase, we suggest that the climate of Jamaica increases the erosivity of the Blue Mountain suite, whereby the Blue Mountains may be in an erosional stead-state. Second, I studied the long-term evolution of a restraining bend at San Gorgonio Pass in southern California by relating fault kinematics within the uplifted San Bernardino Mountains to the nearby Eastern California shear zone. Using highresolution topography (i.e. UAV and lidar surveys), I studied the plausibility of faulting along two potentially nascent faults within the San Bernardino Mountains, namely the Lone Valley and Lake Peak faults. We found that while both faults display evidence for Quaternary faulting, deciphering true fault slip rates was challenging due to the erosive nature of the mountainous landscape. Coupled with evidence of Quaternary faulting along other faults within the San Bernardino Mountains, we suggest a western migration of the Eastern California shear zone. / PHD

Ce travail de thèse a pour but d'analyser les variations de vitesses sur des grandes failles décrochantes en contexte intracontinental, capables de produire des séismes de très fortes magnitudes (M > 7.5). Afin d'illustrer c es variations d'activités, cette analyse a été effectuée sur deux zones d'études situées en domaine continental et sismiquement actives: la région ouest de la Mongolie (failles de Bogd et Bolnay) et le nord de l'Iran (failles d'Astaneh et de Tabriz). À partir d'une approche morphotectonique et paléosismologique, les cinématiques, les vitesses de failles et les intervalles de récurrence entre les séismes majeurs ont été estimés, permettant d'analyser les caractéristiques du cycle sismique sur chacune des failles. En Mongolie, les failles de Bogd et Bolnay présentent respectivement des vitesses de ~ 1,2 et 2,6 mm/an, qui semblent être constantes sur la période Pleistocène supérieur-Holocène. Ces deux failles présentent également des glissements caractéristiques et des intervalles de temps similaires entre les séismes majeurs. Les analyses paléosismologiques suggèrent qu'un essaim sismique comparable à celui enregistré au XXème siècle a eu lieu il y a environ 3000 ans.En Iran, une vitesse géologique de 2 mm/an a été estimée sur la faille d'Astaneh et les données paléosismologiques suggèrent des intervalles de récurrence qui varient entre 1600 et 2200 ans, associés à des déplacements en surface compris entre 3 et 4,5 m. Nous avons également estimé une vitesse de 7 mm/an sur la faille de Tabriz, en accord avec les données GPS, suggérant que la vitesse sur cette faille est constante depuis 45 ka. / The aim of this thesis is to analyze if variations in slip rates occur along strike-slip faults, in intracontinental domain, these faults producing large earthquakes (M> 7.5). To illustrate these variations, this work has focused in two area located in the most tectonically active continental domains in the world: in the western part of Mongolia (Bogd and Bulnay faults) and in the northern part of Iran (Astaneh and Tabriz faults). Using morphotectonic and paleoseismological analyses, the kinematics, the slip rates and the recurrence times have been estimated and allow us to describe the characteristics of seismic cycle along these faults. In Mongolia, the slip rates are estimated at ~1.2 and ~2.6 mm/yr along the Bogd and the Bulnay faults, respectively, with no variations of geological slip rates over the Pleistocene-Holocene period. These two faults present characteristic slips and similar recurrence times between large earthquakes. The paleoseismological investigations suggest that a cluster occurred 3000 years ago, similar to the seismic cluster recorded in Mongolia during the XX century. In Iran, the slip rate was estimated to 2 mm/yr along the Astaneh fault and the recurrence times are ranging from 1600 to 2200 years, associated with offsets comprised between 3 and 4.5 m. We have also estimated a slip rate of ~7 mm/yr along the Tabriz fault, in agreement with the present day rate estimated by GPS, suggesting no variations in the slip rate over the past 45 ka.

La Mongolie occidentale a connu une sismicité intracontinentale exceptionnelle au cours de la première moitié du XXe siècle, avec 4 évènements sismiques d'une magnitude supérieure à 7.9, localisés sur des grandes structures décrochantes en régime transpressif senestre. Cette sismicité historique a été qualifiée d’essaim sismique, et des études paléosismologiques indiquent que ce phénomène a déjà pu se produire par le passé (3 à 4 ka). Mais si la partie est de la chaine du Gobi-Altaï a rompu lors du séisme du même nom en 1957 (Mw8) le long de la faille de Bogd orientale (WBF), plusieurs traces de failles affectant des formations Holocènes et présentant des longueurs > 100 km ont été documentées dans la partie ouest du massif, sans pour autant faire l’objet d’études quantitatives.Cette thèse apporte un état des lieux de l’activité sismique dans le Gobi-Altaï, au travers d’une cartographie détaillée des escarpements de failles actives au cours du pléistocène supérieur, associée à une analyse de la segmentation au regard de critères géométriques et cinématiques. Parallèlement, des investigations morphotectoniques et paléosismologiques, couplées à des méthodes de datations au 10Be in situ, OSL et 14C, ont permis de quantifier les vitesses de glissement depuis le Pléistocène supérieur, et les âges des paléo-ruptures au cours de l’Holocène sur les deux principaux décrochements analysés : les failles de la Vallée des Lacs (VOLF), et de Bogd occidentale (WBF) ; des données préliminaires permettent également de contraindre l’âge de la dernière rupture et la vitesse de glissement sur les failles de Tsogt (TF) et de Tsagaan Gol (TGF), situées respectivement dans le prolongement occidental de la WBF et de la VOLF. De plus, des mesures systématiques des décalages cosismiques horizontaux enregistrés par la morphologie, notamment le long de la rupture de surface du séisme de 1957, couplés à l’utilisation et le développement d’une approche statistique de détermination des glissements cosismiques moyens au regard de la segmentation, a permis de déterminer la fonction de distribution du glissement le long de l’EBF sur 3 cycles sismiques, suggérant d’une part une distribution du glissement assez homogène le long de la rupture, et d’autre part que le glissement du séisme généré en 1957 est d’une amplitude comparable de celle des précédents séismes, pour au moins 50 % de la rupture principale. Cette approche de détermination statistique des glissements moyens sur plusieurs cycles sismiques est prometteuse mais présente néanmoins certaines incohérences, et des voies de développement et de validations sont proposées.Les paramètres morphotectoniques et les âges des paléoséismes documentés dans cette thèse présentent une grande cohérence avec les données précédemment acquises sur l’EBF, avec des vitesses de faille lentes (0,7 ± 0,2 mm.a-1 sur la WBF et 0,5 ± 0,1 mm.a-1 sur la VOLF), des périodes de retour longues (4,0 ± 1,2 ka pour la WBF), et des décalages cosismiques relativement importants (2 – 4 m). Nos mesures de vitesses de faille indiquent par ailleurs une distribution de la déformation depuis la EBF vers les WBF et VOLF, séparant la déformation en deux faisceaux de failles, l’un se branchant au nord depuis la VOLF sur la TGF. Les déterminations des âges de paléoséismes indiquent une possibilité de cluster entre les différentes failles étudiées, avec trois ruptures potentiellement synchrones au cours de l’Holocène, dont une, rompant l’intégralité des décrochements analysés (WBF, EBF et VOLF), s’avère être temporellement corrélée au précédent cluster potentiellement identifié à 3 – 4 ka. Les paramètres présentés dans cette thèse permettent finalement de calculer des paléomagnitudes associées aux deniers évènements sur les WBF et VOLF, comprises entre Mw7,6 et Mw8 selon les paramètres et les lois considérés. Ces données fondamentales pourront servir de canevas de base pour les actuelles études d’aléas sismique en Mongolie. / Western Mongolia experienced an exceptional intracontinental seismic activity during the first part of the XXth century, with four seismic events with Mw > 7.9, located on large strike-slip faults with a transpressive left-lateral motion. This historical seismicity has been qualified as a cluster, and paleoseismological studies indicate that this phenomenon might have occurred 3 to 4 ka ago. Although the eastern part of the Gobi-Altai mountain range broke during the eponymous earthquake in 1957 (Mw8) along the Eastern Bogd Fault (EBF), several fault traces affecting Holocene formations and presenting continuous fault length > 100 km have been documented on the western part of the range, while not been the purpose of quantitative studies.This thesis first gives an inventory of the seismic activity within the Gobi-Altai, through detailed mapping of the fault scarps which show activity during the late-Pleistocene, also with an analyze of the fault segmentation regarding to geometric and kinematic criteria. Secondly, some morphotectonical and paleoseismological surveys have been carried on, along with dating techniques as 10Be in situ, OSL and radiocarbon, which allow quantifying the faults slip-rates since late-Pleistocene, and paleo-ruptures ages during the Holocene period on the two main strike slip faults analyzed : the Valley of Lakes Fault (VOLF), and the Western Bogd Fault (WBF); preliminary data also allow quantifying the slip rates and the age of the most recent event along the Tsogt Fault (TF) and the Tsagaan Gol fault (TGF), respectively located in the westward continuation of the WBF and the VOLF. Moreover, systematic lateral offset measurements have been carried on along the faults traces, and especially along the 1957 surface rupture, where a statistical approach based on probability density has been applied in order to assess the average lateral offsets successively recorded by the landforms, and reveals that the slip distribution along the EBF on 3 seismic cycles. This suggests first that the slip distributions rather even along the rupture, and secondly that the slip related to the 1957 earthquake is of the same amount than previous major ruptures on that fault, for half of the main 1957 surface rupture. This approach of average coseismic slip assessment on several seismic cycles is promising, but still presents some inconsistencies, and we propose developments and validation perspectives.Morphotectonic parameters and ages of paleo-earthquakes reported in this thesis present a strong consistency with former studies along the EBF, with slow slip-rates (0,7 ± 0,2 mm.yr-1 on the WBF and 0,5 ± 0,1 mm.yr-1 on the VOLF), and significant left lateral coseismic offsets (2 – 4 m). Our measurements of slip rates indicate furthermore a distribution of the on-fault deformation from the EBF to the WBF and the VOLF, splitting the deformation in two branches, the north one reaching the TGF and the southern one visibly branches on the TF. Assessments of the paleoearthquakes ages show three possible clusters between the studied faults during the Holocene time, and one of them may break the three faults (WBF, EBF and VOLF), and seems as well to correspond to the cluster possibly identified 3-4 kyr ago. The fault parameters presented in this thesis allow computing the paleomagnitudes related to last seismic events along the WBF and the VOLF, ranging from Mw7.6 and Mw8, depending of parameters and empirical relations considered. Finally those fundamental data may serve as basic pattern for current seismic hazard assessments in Mongolia.

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.

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.

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.