Thesis advisor: Mark D. Behn / The global mid ocean ridge system is segmented by transform faults and non-transform discontinuities. Oceanic transform faults display distinct morphology characterized by a deep valley and shallow transverse ridges on either side of the valley. Although the morphology of oceanic transform faults is known to first order, there is no consensus on the processes that form the transform valley and/or the adjacent transverse ridges. To date, most models of transform morphology attribute these features to either transform-normal extension or to shear stresses induced by slip along the fault. In this thesis, I compile bathymetric data along 16 major transform faults on the Mid-Atlantic Ridge and identify the key morphological properties of each transform. Specifically, I estimate transform valley width, depth, and total relief measured from the valley floor to the adjacent transverse ridges. The strongest correlation is between the relief and maximum depth, but there is a weaker correlation between maximum depth and valley width. These morphologic properties are then compared to key fault parameters such as slip rate, fault-normal compression/extension rate, thermal area, and the seismic coupling ratio, which is defined as the fraction of total fault slip that occurs seismically. These comparisons are used to test models that describe mechanisms of the formation of the transform valley. The strongest correlation is between the fault thermal area and valley half width. This suggests that the width of the transform valley may be controlled by the shear stress applied to the fault as it slips. By contrast, the data are not consistent with a model in which the valley is created by extension across the fault, because our data show that the maximum transform valley depth increases with compression and not extension. / Thesis (MS) — Boston College, 2024. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Earth and Environmental Sciences.

This thesis aims to investigate the stresses at mid-ocean ridge offsets, and particularly at the particular class of offsets represented by oceanic microplates. Amongthese, the Easter microplate is one of the best surveyed. This thesis first studies the stress field associated with mid-ocean ridges and simple types of ridge offsets, and then uses the stress field observed at Easter to constrain the driving mechanism of microplates. Two-dimensional finite element modelling is used to predict the lithospheric stress indicators, which are then compared with observations. Extensional structures at high angles (> 35 ) to ridge trends are often observed at ridge-transform intersections and non-tranform offsets, but remained unexplained until now. This study proposes that the topographic loading created by the elevation of mid-ocean ridges relative to old seafloor is a source of ridge parallel tensile stresses, and shows they can be explained by the rotation of ridge parallel tensile stresses at locked offsets. The elasto-plastic rheology is used to investigate the evolution of normal faults near mid-ocean ridges. It is shown that variations in the lithospheric strength, caused entirely by variations in the brittle layer thickness, can account for the observed variations in fault character with spreading rate and along-axis position. Plasticity is shown to prevent the achievement of large fault throws in thin brittle layers. Consequently, it may be important at fast spreading ridges. A new dynamic model is proposed for Easter microplate. It mainly consists of: 1) driving forces along the East and West Rifts, resulting from the combination of a regional tensile stress with an increasing ridge strength towards rift tips, 2) mantle basal drag resisting the microplate rotation, and contributing with less than 20% to the total resisting torque, and 3) resisting forces along the northern and southern boundaries. To explain both the earthquake focal mechanism evidence and theexistence of compressional ridges in the Nazca plate, the boundary conditions alongthe northern boundary are required to change with time, from completely locked tolocked in the normal direction only. This study does not invalidate the microplate kinematic model proposed by Schouten et al. (1993), but shows that normal resisting forces along the northern and southern boundaries of Easter microplate must exist in order to explain the stress observations. Also, it suggests that ridge strength variations play an important role in the dyamics of mid-ocean ridge overlap regions.

La géodynamique du domaine Caraïbe, sa déformation et son évolution sont analysés à partir des données de géologie et de géophysique marine, telles que la bathymétrie, la sismique réflexion et réfraction, la gravimétrie et le magnétisme. Ce travail commence par une étude bibliographique du domaine Caraïbe établissant un état des recherches au début de notre étude. L'instrument géophysique majeur utilisé est la sismique multitrace, et notamment les données de la campagne Casis qui ont été traitées classiquement et plus spécifiquement par migration avant sommation (Leroy et al, 1996). Notre travail s'est divisé en deux parties, la première concerne le domaine Nord Caraïbe et plus particulièrement le fossé Cayman, et la deuxième examine, en détail, la Grande Province Volcanique Caraïbe, sa déformation et sa structure crustale. Dans le fossé Cayman, les deux marges conjuguées sont asymétriques, la marge du Belize est abrupte tandis que la marge Jamaïcaine est large et peu sédimentée. L'ensemble des données a permis de définir les blocs basculés de la croûte continentale, non enfouis sous les sédiments, une transition Continent-Océan constituée par un mont arrondi et par une importante dépression syn-rift, et le domaine océanique où les blocs océaniques sont basculés vers la dorsale. Des failles de détachements et les réflexions du Moho sont imagées grâce à la sismique de haute qualité. Les bordures Nord et Sud du fossé sont formées par des fosses profondes qui constituent des marges transformantes entre les croûtes Jamaïcaine et Cubaine épaisses et la croûte continentale amincie ou océanique. Dans le domaine océanique, une discontinuité majeure a été identifiée à l'axe d'expansion. L'identification des anomalies magnétiques sur l'ensemble du fossé conduit à la datation de la Transition Continent Océan (Lutétien inférieur; 49 Ma), à refermer le bassin et à proposer un modèle d'évolution de la zone Nord Caraïbe par le fonctionnement successif (du Nord au Sud) de failles transformantes senestres qui accommodent le mouvement de la plaque vers l'Est. La dorsale océanique s'est propagée vers le Sud entre les anomalies 6 et 8. A la même époque, au Néogène, la trace fossile de la faille transformante Swan a été réactivée entraînant la formation de structures compressives jusqu'à Hispaniola à l'Est. Une déformation Miocène compressive est observée sur la plaque Caraïbe, formée en majeure partie par un plateau volcanique d'âge Crétacé, et divisée en deux bassins (Colombien à l'Ouest, et Vénézuélien à l'Est). La compression augmente du Sud vers le Nord et les structures compressives sont décalées de manière dextre par des accidents orientés NE-SW. La partie centrale et occidentale de la ride de Beata est formée par des hauts topographiques orientés NS décalés de façon dextre. Le point culminant est situé au Nord, se reliant au massif montagneux de Hispaniola (Bahoruco). La tectonique compressive s'effectue sous une contrainte orientée E-W à NE-SW. Son maximum est situé dans la presqu'île Sud d'Haïti et se traduit par une collision avec le bâti Nord d'Hispaniola. On peut évaluer le raccourcissement à 170 km. Le bassin Caraïbe apparaît formé de deux microplaques et la microplaque Colombienne se déplace plus rapidement vers l'Est que la microplaque Vénézuélienne. Ce mouvement différentiel peut être la conséquence d'un mouvement de convergence plus important à l'Ouest qu'à l'Est des plaques Amériques et d'une influence de la rapide convergence de la plaque Cocos. La Grande Province Magmatique Caraïbe atteint 800 000 km2, dont une partie est accrétée sur le continent par obduction et/ou collision. La taille de la province magmatique est de 2500 km de diamètre. On distingue des petits plateaux séparés par des bassins. L'âge des formations volcaniques s'échelonne depuis l'Albien (110 Ma) jusqu'au Campanien (80 Ma), avec un épisode important à 88 Ma (Coniacien) qui affecte l'ensemble de la province magmatique et nous concluons que le volcanisme n'est pas instantané. Nous avons compilé les données de sismique réfraction et différencié une couche 2 (4.6 et 6 km/s) et une couche 3 (plus de 6 km/s). L'épaississement de la croûte s'effectue au niveau de la couche 3, comme sur le plateau des Kerguelen, par sous-placage. En effet, la couche 2 reste mince aussi bien sur les plateaux (4 km) que dans les bassins (2 km); cette disposition explique les affleurements de gabbros (couche 3) le long de l'escarpement Ouest de la ride de Beata. Nous optons pour une origine Pacifique de la plaque Caraïbe et on note de nombreuses analogies avec les Grandes Provinces Magmatiques du Pacifique Ouest (bassin de Nauru, Ontong Java et bassin de Pigafetta), mais nous rejetons l'hypothèse du panache géant situé dans le Pacifique, et nous rattachons la Grande Province Caraïbe au point chaud des Galápagos.

Cette thèse porte sur la déformation et les migrations de fluides associées à la Faille Nord Anatolienne en Mer de Marmara (Turquie).Nous étudions tout d'abord l'évolution de la géométrie et du taux de glissement du système de faille, par deux approches indépendantes: - modélisation thermique de l'histoire d'un bassin, - définition d'un marqueur temporel de type Dépôt de Transport en Masse, daté par interprétation stratigraphique. Nous montrons que: -(1) le système de failles actuel, défini comme une faille principale accommodant la majorité de la déformation inter-plaque, n'a pas significativement évolué depuis 330.000 ± 100.000 ans dans la partie Ouest de la mer; -(2) le système de faille s'est progressivement réorganisé depuis 2.5-1.5 Ma.Dans un deuxième temps, nous étudions les processus d'initiation des Transports en Masse. Nous montrons que: -(1) même si les Transports en Masse sont contrôlés par des processus tectoniques (principalement les séismes et l'extension crustale), leur fréquence et leur taille sont conditionnées par les oscillations glacio-eustatiques; -(2) des Dépôts en Masse ont une périodicité corrélée aux transitions marins/lacustres. Cette cyclicité peut être expliquée par la diffusion d'eau saumâtre, dans les argiles marines entraînant leur gonflement et déstabilisant les sédiments. Dans une troisième partie, nous étudions la diversité des contextes des sites d'émissions de fluides en fonds de mer. Nous montrons que l'occurrence des sites d'émission de fluides est en partie liée au flux ascendant de gaz le long de couches perméables des bassins vers leurs bords, et le long des fractures du socle vers les bords des bassins et les anticlinaux. / This study addresses the issue on the deformation and the fluid migration, associated to the North Anatolian Fault within the Sea of Marmara (Turkey).First, we aim to constrain the evolution of the fault network and the slip rate through time, by two independent approaches: - historical thermal modeling of a basin of the Sea of Marmara; - definition of a Mass Transport Deposit as a fault lateral slip marker, and dated by stratigraphic interpretation. We show that: - (1) the present day fault system, formed by a main fault which accommodated the main part of the inter-plate deformation does not significantly evolved since 330.000 ± 100.000 years - (2) a progressive reorganization of the fault network occurred since the last 2.5-1.5 Ma.Secondly, we discuss the triggers of Mass Transport Processes. We show that: - (1) despite submarine mass movements are related to tectonic activity (mainly earthquakes and crustal stretching), their frequency and their size are also modulated by glacio-eustatic changes; -(2) remarkable Mass Transport Deposits display some cyclicity in stratigraphic sequences which are apparently correlated to transitions between salty marine and lacustrine environments. This cyclicity is perhaps explained by marine clay activity (swelling) under low brackish-fresh water conditions, which can trigger sediment destabilization.Third, we investigate the diversity of active fluid seepages contexts. We propose that the widespread occurrence of fluid expulsion sites can be explained by up-dip gas migration by buoyancy along permeable strata toward their edges, and along fractures within the basement toward both the edges of the basins and topographic highs.