Rifting continental : Causes, effets, évolution - Exemple du rift Baïkal

This report for ‘Habilitation à Diriger des Recherches’ presents a summary of my research activity about the Baikal rift which has began ten years ago, when I obtained my present position as Assistant Professor at Villefranche-sur-Mer Observatory (UPMC). Activities concerning the geodynamics of the Ligurian Sea and previous studies in theAndes (Ph. Thesis) are not developped in this report. What I have tried to perform, together with several colleagues, is a multidisciplinary study of the Baikal rift system. This was done in the framework of a collaboration between the Institute of the Earth’s Crust (Irkutsk) and Géosciences Azur (CNRS-UPMC, Nice, France). We attempt to gather several geophysical and geological data (either revised or new) and to interpret them with some caution, in order to determine a realistic picture of the on-going deformation pattern in the Baikal area, and more widely, to better understand the dynamics of the lithospheric deformation in an intracontinental setting. Our main objectives were the following : (1) describe the geometry and rate of active faulting using satellite imagery, field investigations, and seismicity, (2) directly measure crustal deformation and fault motion using GPS geodesy, (3) determine the stress field using earthquake source data, and (4) understand the physical mechanisms at work through numerical modeling. A number of funding agencies made this project possible : INTAS, NATO, the Siberian Branch of the Russian Academy of Science, the Mongolian Academy of Science, the FrenchMinistry for Foreign Affairs, the French National Center for Scientific Research (CNRS), and University Pierre and MarieCurie.Chapter I gives a brief review of the problems that are currently debated about continental rifts and the way I have used and complemented ‘seismo -geology’ for the analysis of causes and effects of continental deformation under extension. Chapter II is a critical review of the deformation pattern in Asia during Tertiary, which aims at situating the Baikal rift in this important tectonic context. Chapter III is an overview of the main results obtained concerning thestructure, evolution and dynamics of the Baikal rift, and puts in perspective the 11 publications reproduced in Annex 2.Finally, Chapter IV briefly opens some perspectives of work.Ce rapport d’Habilitation à Diriger des Recherches présente, outre un compte-rendu détaillé d’activité, un résumé de mon activité de recherche sur le rift Baïkal qui a commencé il y a 10 ans, lors de ma nomination comme Maître de Conférence de l’Université Pierre et Marie Curie à l’Observatoire de Villefranche-sur-Mer. Comme pendant ma thèse, un fil directeur thématique a relié mes différentes activités de recherches : l’extension continentale et ses effets, qu’elle se produise au sein d’une chaîne de montagne liminaire (la Cordillère Blanche au Pérou), dans un paléorift maintenant immergé, le bassin Ligure et ses marges, en contexte d’arrière-arc, ou au cœur d’un continent, le rift Baïkal. Si j’ai choisi de ne présenter que ce dernier, c’est à la fois pour des raisons de temps, et pour éviter une ‘gymnastique’ intellectuelle un peu artificielle : la comparaison entre ces deux derniers objets, par la différence de contexte tectonique et de méthodes d’investigation qu’elle implique, ne me paraît pour l’instant pas assez fructueuse. J’ai voulu plutôt tirer parti du fait qu’un cycle d’étude s’achevait en domaine intracontinental asiatique, avec une confrontation utile entre plusieurs résultats récents (modélisations gravimétriques, mesures GPS et modélisations numériques) et l’analyse plus spécifiquement ‘sismo-géologique’ que j’ai menée. Enfin une autre circonstance m’a incité à agir de la sorte : la soutenance proche de la thèse de doctorat de Nadège Rollet sur le bassin Ligure.Le chapitre I fournit un bref aperçu des problèmes couramment débattus à propos des rifts continentaux actuels, et justifie la démarche générale que j’ai choisie afin de mieux comprendre les causes et les effets de la déformation active en extension en domaine intracontinental : l’utilisation de la « sismo-géologie », au cœur de mon domaine de compétence, dans un cadre élargi par l’apport d’autres approches complémentaires (gravimétrie, géodésie, modélisations numériques). Le Chapitre II est un examen critique du comportement de la lithosphère asiatique au cours du Tertaire, d’après la bibliographie. Cette partie peut surprendre le lecteur dans le cadre de cette Habilitation : elle m’a paru nécessaire pour renforcer la compréhension des processus de déformation observée à l’échelle du rift Baïkal, car le contexte de la collision Inde-Asie et des subductions le long de l’océan Pacifique y joue à l’évidence un rôle primordial. Le Chapitre III donne et discute les principaux résultats obtenus concernant la structure, le comportement thermo-mécanique, l’évolution et la dynamique actuelle du rift Baïkal, en se référant aux 11 publications reproduites en Annexe 2. Finalement, le Chapitre IV ouvre brièvement quelques perspectives d’étude à la suite de ces travaux

Identification and modeling of ground instabilities by geophysical methods and python-based tools: case of the city of Fez (Morocco) and the Sierra de Gador (Spain)

[SPA] La tesis propuesta viene a resolver los problemas relacionados con la detección y la localización de zonas inestables en medio urbano (Tghat Fès, Sefrou, Bhalil en Marruecos, y la zona de Sierra de Gádor en España), especialmente para investigación de cavidades, deslizamientos de terrenos y las formaciones cársticas. El estudio geológico detallado de las cuatro zonas ha permitido localizar los principales sectores más susceptibles al riesgo de inestabilidad en base a la litología y sobre los indicios de superficie. Los indicios en la región de Tghat son formas de fisuración de superficie, mientras que los sitios de Bhalil y Sefrou representan la presencia de cavidades de origen antrópico o natural en base a fenómenos de carstificación, y la presencia de dolinas de origen cárstico en la zona de estudio de la Sierra de Gádor. En este trabajo, diferentes métodos geofísicos han sido empleados para la detección y la investigación de cavidades, deslizamientos del terreno y de formas cársticas en zonas urbanas. Estos métodos consisten en el método de tomografía eléctrica (ERT, de eletrical resistivity tomography method), el método de sondeo eléctrico vertical (VES, de vertical electrical sounding method), el método georradar (GPR de ground penetrating radar method) y el método de tomografía sísmica de refracción (SRT de seismic refraction tomography method). Los resultados de los métodos geofísicos han sido presentados bajo la forma de secciones de resistividad 1D, 2D y 3D, de radargramas y de tomogramas sísmicos, facilitando información detallada sobre las variaciones de las propiedades físicas de las estructuras subterráneas. El tratamiento e interpretación de los datos ha permitido la determinación de las variaciones espaciales y de señalar numerosas zonas que pueden ser consideradas como zonas de alto riesgo, especialmente por el peligro de deslizamiento en la zona de Tghat con la localización de numerosas anomalías asociadas con la presencia de cavidades en el seno de formaciones margosas. Las técnicas eléctricas han permitido de localizar cavidades de origen cárstico, así como zonas de fracturación y de fisuración prolongadas en el seno de las formaciones carbonatadas en Sefrou. En la zona de estudio de Bhalil, el GPR se ha revelado muy eficaz para la detección de cavidades antrópicas abandonadas en el seno de la antigua medina. Finalmente, la tomografía eléctrica combinada con la sísmica de refracción ha demostrado ser un método eficaz para detectar formas de subsidencia asociadas a la presencia de dolinas en la región de la Sierra de Gádar (Almería, España). Por otro lado, el empleo de Python para la modelización se ha combinado con el estudio geológico y los métodos geofísicos con el fin de detectar y de investigar las zonas inestables en ambientes urbanos. Esta metodología directa de modelización es empleada para simular las condiciones del subsuelo en las zonas de estudio con la ayuda de programas de ordenador de código abierto tales como pyGIMLi y pyBERT. Gracias a esta simulación, es posible de predecir la respuesta de diferentes técnicas geofísicas a las condiciones específicas del sitio de estudio, permitiendo así de seleccionar las técnicas más apropiadas para las condiciones específicas del sitio y de optimizar la concepción del diseño de los dispositivo de medida así como los parámetros de adquisición de los datos para futuras campañas de campo. Con la integración de la modelización directa con los métodos geofísicos, el objetivo de esta tesis es la de mejorar la precisión, eficacia y la flexibilidad de la tomografía subterránea para la detección y la investigación de las cavidades, los deslizamientos del terreno y de las formas cársticas en las zonas urbanas. [ENG] The proposed thesis aims to solve problems related to the detection and localization of unstable areas in urban zones (Tghat Fes, Sefrou, Bhalil in Morocco, and the Sierra de Gádor area in Spain), in particular for cavity monitoring, landslides and karst forms. The detailed geological study of the four zones made it possible to locate the main sectors most susceptible to the risk of instability, based on the lithology and on surface indicators. The indices in the region of Tghat are forms of surface cracking, while the sites of Bhalil and Sefrou represent the presence of cavities of anthropic or natural origin due to the phenomenon of karstification, and the presence of doline of karstic origin. in the site of Sierra de Gádor. In this report, different geophysical methods were used for the detection and monitoring of cavities, landslides, and karst forms in urban areas. These methods include ERT (electrical tomography), VES (vertical electrical sounding), GPR (ground penetrating radar) and SRT (seismic refractive tomography). The results of the geophysical methods were presented in the form of 1D, 2D and 3D resistivity sections, radargrams and tomograms, providing detailed information on the variation of physical properties of underground structures. The processing and interpretation of the data made it possible to determine the spatial variations and to highlight several areas which can be considered as high-risk areas, in particular related to landslide risk in the Tghat area with the location of several anomalies correlated with the presence of cavities within marly formations. Electrical techniques have made it possible to locate cavities of karstic origin as well as zones of fracturing and prolonged fissuring within carbonate formations at Sefrou site. Thus, at the Bhalil site, the GPR proved to be very effective in detecting abandoned anthropic cavities within the old medina. Finally, electrical tomography combined with seismic refraction has proven to be an effective method for detecting forms of subsidence related to the presence of sinkholes in the Sierra de Gádor region. Furthermore, the use of Python for modeling is combined with geological survey and geophysical methods to detect and monitor unstable areas in urban environments. This direct modeling approach is used to simulate subsurface conditions at study sites using open-source software such as pyGIMLi and pyBERT. Through this simulation, it is possible to predict the response of different geophysical techniques to specific site conditions. Thus, it is possible to select the most appropriate techniques for the specific site conditions and to optimize the survey design as well as the data acquisition parameters for future campaigns. By integrating direct modeling with geophysical methods, the objective of this thesis is to improve the accuracy, efficiency, and flexibility of subsurface imagery for the detection and monitoring of cavities, landslides and landforms. karst in urban areas. [FRE] La thèse proposée vise à résoudre les problèmes liés à la détection et à la localisation de zones instables en milieu urbain (Tghat Fès, Sefrou, Bhalil au Maroc, et la zone de Sierra de Gádor en Espagne), notamment pour la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques. L'étude géologique détaillée des quatre zones a permis de localiser les principaux secteurs les plus susceptibles au risque d'instabilité en se basant sur la lithologie et sur des indices de surface. Les indices dans la région de Tghat sont des formes de fissuration de surface, tandis que les sites de Bhalil et Sefrou représentent la présence de cavités d'origine anthropique ou naturelle en raison du phénomène de karstification, et la présence de dolines d’origine karstique dans le site de Sierra de Gádor. Dans ce rapport, différentes méthodes géophysiques ont été utilisées pour la détection et la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques dans les zones urbaines. Ces méthodes comprennent l'ERT (tomographie électrique), le VES (sondage électrique vertical), le GPR (radar à pénétration de sol) et le SRT (tomographie sismique à réfraction). Les résultats des méthodes géophysiques ont été présentés sous forme de sections de résistivité 1D, 2D et 3D, de radargrammes et de tomogrammes, fournissant des informations détaillées sur la variation des propriétés physiques des structures souterraines. Le traitement et l'interprétation des données ont permis de déterminer les variations spatiales et de souligner plusieurs zones qui peuvent être considérées comme des zones à haut risque, notamment pour le danger de glissement dans la zone de Tghat avec la localisation de plusieurs anomalies corrélées avec la présence de cavités au sein de formations marneuses. Les techniques électriques ont permis de localiser des cavités d'origine karstique ainsi que des zones de fracturation et de fissuration prolongées au sein de formations carbonatées à Sefrou. Au site de Bhalil, le GPR s'est révélé très efficace pour la détection de cavités anthropiques abandonnées au sein de l'ancienne médina. Enfin, la tomographie électrique combinée à la sismique à réfraction s'est avérée être une méthode efficace pour détecter des formes de subsidence liées à la présence de dolines dans la région de Sierra de Gádor.En outre, l'utilisation de Python pour la modélisation est combinée avec l'étude géologique et les méthodes géophysiques afin de détecter et surveiller les zones instables dans les environnements urbains. Cette approche directe de modélisation est utilisée pour simuler les conditions du sous-sol des sites d'étude à l'aide de logiciels open source tels que pyGIMLi et pyBERT. Grâce à cette simulation, il est possible de prédire la réponse de différentes techniques géophysiques aux conditions spécifiques du site, permettant ainsi de sélectionner les techniques les plus appropriées pour les conditions spécifiques du site et d'optimiser la conception du levé ainsi que les paramètres d'acquisition de données pour les futures campagnes. En intégrant la modélisation directe avec les méthodes géophysiques, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la précision, l'efficacité et la flexibilité de l'imagerie souterraine pour la détection et la surveillance des cavités, des glissements de terrain et des formes karstiques dans les zones urbaines.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnología y Modelización en Ingeniería Civil, Minera y Ambienta

Évolution thermique et mécanique des zones de cisaillement : approche analytique, numérique et confrontation aux données de terrain

Shear zones are common structural features in the lithosphere and occur at various scales (from microscopic to lithospheric). At the lithospheric scale, they concentrate most of the relative movements between tectonic plates, and therefore, accommodate a high amount of strain. Consequently, the understanding of both their spatial and temporal mechanical behaviour is crucial for the general knowledge of the lithosphe dynamics. Rheology of rocks, which define their mechanical behaviour, is controlled by physical laws that predict how they deform under some stresses. Temperature plays a major role in the creep-dislocation behaviour, which characterizes the ductile domain (in depth), decreasing efficiently the rock strength. Furthermore, each rock has intrinsic mechanical properties, which depend on its mineralogical composition, texture and internal structures. However, due to the lack of data directly measurable deeper than a few kilometres, the lithosphere rheology, and in particular the continental lithosphere remains subject to drastically different interpretations. The mechanical behaviour of major shear zones is not fully understood, as they are the location of intense changes of both the rock internal nature and major thermal perturbations. Especially, the mechanical energy, converted into heat (shear heating) causes a close interaction between thermal ad mechanical evolutions. This thesis aims to better understand the rheological state of lithospheric scale shear zones. For this purpose, we used an original approach, based on the temperature field evolution around and within such shear zones. From 2D numerical thermo-kinematic models and analytical developments, the first order variability of thermal evolution and perturbation is anal- ysed and quantified with respect to the impact of three major thermal processes, defined as diffusion, advection and shear heating. Results are compared to metamorphic thermal signatures associated to intra-continental thrust zones for which the influence of both accretion and erosion was also investigated. The case of the Main Central Thrust (MCT) in the Himalayas, whose the inverse metamorphic thermal zonation has been extensively studied, was chosen as the main natural analogue. Our quantitative results highlight the crucial role of shear heating, and more particularly of mechanical strength variability within shear zones. We thus emphasise on the importance of rock creep parameters. The study of centimetre-scale shear zones, which developed within the granodiorite of the Zillertal nappe (Tauern window, Tyrol, Alps) thanks to little local variations of the mineralogical composition, reveals the extreme sensitivity of igneous rocks rheology, representative of the continental crust. The consequences of such an intense variability, revealed at small scale are finally discussed with regard to rheologies usually considered in models that focus on processes controlling lithosphere dynamics.Les zones de cisaillement constituent des objets structuraux communs de la lithosphère. À grande échelle, elles sont le siège principal des déplacements entre plaques tectoniques, accommodant de grandes quantités de déformation. La compréhension de leur comportement mécanique dans le temps et l'espace est donc essentielle pour la connaissance générale de la dynamique de la lithosphère. La température joue un rôle majeur sur la loi de comportement rhéologique qui caractérise le domaine ductile (en profondeur), réduisant alors efficacement la résistance mécanique. Chaque roche possède en outre des propriétés mécaniques intrinsèques qui varient en fonction de sa composition minéralogique, de sa texture et de sa structure interne. Or, en l'absence de grandeurs directement mesurables en profondeur, la rhéologie de la lithosphère demeure sujette à diverses interprétations. Le comportement mécanique des zones de cisaillement est d'autant plus méconnu qu'elles sont le siège d'intenses changements de la nature des roches et de perturbations thermiques majeures. En particulier, l'énergie mécanique qui y est convertie en chaleur (shear heating) peut engendrer une étroite interrelation entre thermique et mécanique. Ce travail de thèse vise à contribuer à la connaissance générale de la rhéologie des zones de cisaillement lithosphérique. Une approche originale a été mise en place, se basant sur l'évolution thermique aux abords et au sein des zones de cisaillement. Sur la base de modèles numériques thermo-cinématiques 2-D et de développements analytiques, la variabilité de premier ordre de l'évolution et de la perturbation thermique est analysée et quantifiée au regard de l'influence des trois processus thermiques majeurs que sont la diffusion, l'advection et le shear heating. Les résultats sont confrontés aux signatures thermiques métamorphiques associées aux chevauchements intra-continentaux pour lesquels les influences des processus d'accrétion et d'érosion sont également examinées. Le cas du Main Central Thrust (Himalaya), associé à une inversion thermique métamorphique bien développée, est pris comme exemple de référence. Nos résultats quantitatifs mettent en avant le rôle crucial du shear heating, notamment de la variabilité de la résistance mécanique des zones de cisaillement. L'accent est mis sur l'importance des paramètres de fluage des roches. L'étude de zones de cisaillement centimétriques développées au sein de la granodiorite du Zillertal (fenêtre des Tauern, Alpes) à la faveur de faibles variations de la composition minéralogique révèle l'extrême sensibilité de la rhéologie des roches ignées représentatives de la croûte continentale. Les conséquences de cette variabilité intense à petite échelle sont finalement discutées au regard des rhéologies classiquement considérées dans les modèles qui s'intéressent aux processus qui régissent la dynamique de la lithosphère