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UNIVERSITE AIX-MARSEILLE Active Tectonics of the Doruneh Fault

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UNIVERSITE AIX-MARSEILLE Active Tectonics of the Doruneh Fault UNIVERSITE AIX-MARSEILLE Centre Européen de Recherche et d’Enseignement en Géosciences de l’Environnement N° attribué par la bibliothèque : Active tectonics of the Doruneh Fault: seismogenic behavior and geodynamic role Tectonique active de la faille de Doruneh : comportement sismogénique et rôle géodynamique THE SE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE AIX-MARSEILLE Faculté des Sciences et Techniques Discipline : Géosciences de l’environnement Présentée et soutenue publiquement par Yassaman FARBOD Le 12 juin 2012 au CEREGE Directeurs de thèse: Olivier BELLIER, Esmaeil SHABANIAN et Mohammad R. ABBASSI Ecole Doctorale : Sciences de l’Environnement JURY Dr. Jean-François RITZ, Université Montpellier II Rapporteur Pr. Claudio FACCENNA, Université Roma III Rapporteur Dr. Michel SEBRIER, Université Pierre et Marie Curie Examinateur Pr. Olivier BELLIER, CEREGE/Université Aix-Marseille Directeur Dr. Esmaeil SHABANIAN, CEREGE/Université Aix-Marseille Co-Directeur Dr. Mohammad Reza ABBASSI, IIEES, Iran Co-Directeur ANNEE : 2012 Résumé Tectonique active de la faille de Doruneh : comportement sismogénique et rôle géodynamique Résumé Ce travail de thèse porte sur la tectonique active du système de faille de Doruneh (DFS) situé au NE de l'Iran. Une approche combinée de géologie structurale, morpho-tectonique, géomorphologie quantitative et datation par des nucléides cosmogéniques 36Cl et 10Be nous a permis de décrire la cinématique ainsi que le rôle géodynamique du DFS dans le contexte de la collision Arabie-Eurasie. Le DFS comprend trois zones avec des caractéristiques structurales, géomorphologiques et cinématiques distinctes, (a) inverse-senestre pour la WFZ (Ouest) (b) purement senestre pour la CFZ (Centre) et (c) inverse pour l'EFZ (Est). Les âges d'abandon de trois générations de cônes alluviaux quaternaires ont été déterminés à ~12, ~36 et ~100 ka. Ces âges, combinés avec les décalages mesurés, indiquent une vitesse maximum de déplacement horizontal senestre de ~5,3 mm/an pour l'Holocène. Notre analyse d’aléa sismique indique que la longueur maximale d’un segment sismogène varie de 70 à 100 km, ce qui pourrait produire des séismes caractéristiques de magnitude 7.2 à 7.4 avec des intervalles de récurrence de ~750 ans. Nous proposons un nouveau modèle géodynamique dans lequel l’EFZ est impliquée dans une zone de cisaillement dextre d’orientation NNW entre Iran central et Eurasie. Le mouvement vers le nord de l’Iran central est accommodé dans cette zone de relais en transpression par du raccourcissement sur des failles inverses d’orientation NW, et transféré vers le Nord par des faille dextres d’orientation NNW. Mots clés: NE Iran; faille de Doruneh; morpho-tectonique; segmentation; décrochement; déformation crustale; collision Arabie-Eurasie; datation par nucléides cosmogéniques Abstract Active tectonics of the Doruneh Fault: seismogenic behavior and geodynamic role Abstract This study focuses on the active tectonics of the Doruneh Fault System (DFS) in the north- eastern part of central Iran. A combined approach of geological and morphotectonic mapping, fault kinematic analysis, as well as in situ-produced cosmogenic dating (36Cl and 10Be) allowed us to characterize the active kinematics and geodynamic role of the DFS in the context of the Arabia-Eurasia collision. The DFS comprises Western, Central and Eastern fault zones (WFZ, CFZ, EFZ) with distinct structural, geomorphic and kinematic characteristics. The WFZ is oblique reverse- left-lateral, the CFZ is pure left-lateral and the EFZ is reverse. Exposure ages of ~12, ~36 and ~100 ka have been determined for three generations of alluvial fan abandonment surfaces along the DFS. Combining geomorphic offsets and their related ages yields a maximum left- lateral slip rate of ~5.3 mm/yr for the CFZ during Holocene. The maximum length of independent seismogenic fault segments varies from ~70 to ~100 km that could produce a characteristic earthquake with a magnitude of Mw ≈7.2 to 7.4 and recurrence interval of ~750 years. We propose a geodynamic model in which the EFZ is involved in a NNW-trending dextral shear zone between Central Iran and Eurasia. This implies that the EFZ forms a complex right-lateral transpressional relay zone between the eastern and northeastern Arabia-Eurasia convergence boundaries. The northward motion of Central Iran relative to Eurasia is accommodated by shortening on NW-trending reverse faults, and is transferred northward via NNW-trending dextral faults. Keywords: NE Iran; Doruneh fault; morpho-tectonics; fault segmentation; strike-slip faulting; continental deformation; Arabia-Eurasia collision; cosmogenic nuclides dating Discipline : Géosciences de l’Environnement Laboratoire : CEREGE UMR 7330 Europôle de l’Arbois, BP 80 13545, Aix-en-Provence Cedex 4 Remerciements Le travail de cette thèse rentre dans le cadre du programme franco-iranien de coopération scientifique sur le « Risque sismique » en Iran, dirigé par Denis Hatzfeld (LGIT- CNRS UJF) et Mohsen Ashtiani (IIEES), que nous remercions pour la qualité de cette « coordination ». Cette étude a eu le soutien du Ministère des Affaires Etrangères, de L’INSU–CNRS (programmes PNRN, Diety, IT…), du Ministère de la Recherche (ACI-FNS), du côté français, et de l’IIEES (Téhéran), du côté iranien. Les images SPOT ont été acquises grâce au soutien du programme ISIS (CNES). J’ai bénéficié de dix-sept mois de bourse (BGF, MAE), par l’intermédiaire du SCAC (Ambassade de France en Iran). Je remercie pour leurs soutiens Messieurs Lambert et Lhôte ainsi que Mesdames Mirbaha (SCAC) et Rambi ( CROUS, Aix- en Provence). Ce travail n’aurait pas vu le jour si je n’avais pas eu la chance de rencontrer un très grand nombre de gens formidables. Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de thèse, Pr. Olivier Bellier, pour m’avoir proposé ce passionnant sujet de thèse. Je le remercie pour la qualité de son encadrement, sa patience, son soutien et sa disponibilité malgré son emploi de temps aussi chargé qu’un président! Je suis très reconnaissante à mes deux Co-directeurs de thèse, Dr. Mohhamad Reza Abbassi et Dr. Esmaeil Shabanian. Douze ans déjà que nous nous connaissons ! Ils m’ont toujours soutenu et encouragé aussi bien dans ma vie professionnelle que personnelle. Une pensée très particulière à Esmaeil qui a toujours cru en moi et qui m’a accompagné pas à pas, dés le début de ma carrière scientifique (Master) jusque à la fin de cette thèse. Merci de m’avoir supporté durant tous ces années, j’espère qu’un jour, je pourrais te rendre seulement une petite partie de tous ce que tu as fait pour moi. Je tiens également à remercier les membres du jury, Dr. Jean-François Ritz (DR CNRS, Université de Montpellier II, France), Pr. Claudio Faccenna (Université Rome III, Italie) et Dr. Michel Sébrier (DR CNRS, Université Pierre et Marie Curie, France) d’avoir accepté de juger ce travail de thèse. J’adresse également mes sincères remerciements à Dr Khaled Hessami Azar, à qui je dois beaucoup. S’il ne s’était pas investi avec autant de sérieux à la constitution et au suivi de mon dossier, probablement que je n’aurai jamais pu faire cette thèse en France. Nous lui devons également beaucoup pour la deuxième et dernière mission primordiale pour mon travail ! Celle-ci n’aurait probablement pas pu s’accomplir sans lui. Quotidiennement au CEREGE, j’ai eu un grand plaisir à bénéficier de l’aide d’autres personnes: les informaticiens: Cyrille, Julien et Antoine; à la bibliothèque, Brigitte Crubezy; à l’école Doctorale, Mme Nelil d’abord puis Isabelle Hammad, pour qui j’ai beaucoup d’estime et de respect. Sans oublier bien sur Michel Decobert, le ‘Papa’ du CEREGE avec toutes ses plaisanteries et histoires qu’il nous a raconté pendant les « pauses café ». J’ai eu le plaisir de partager le bureau 109 avec Stéphane Molliex, Clément Flaux, Fabrice Cuoq et le dernier arrivant Mohammad Gharbi, « le prophète ! ». J’étais la fille unique de ce bureau et je les ai probablement beaucoup embêté afin qu’ils rangent tout les bazars… Je les remercie tous pour leur sympathie et leur solidarité dans les moments difficiles. Je tiens à remercier plus particulièrement Clément qui m’a beaucoup aidé dans mon apprentissage du français. Tous les jours en face de moi et de bonne humeur, toujours en pleine forme et disponible pour répondre à toutes mes questions avec beaucoup de patience. J’ai une pensée très forte envers Florence Derrieux avec qui j’ai pu supporter le froid et les difficultés dans le laboratoire « 10Be » durant ma première année de thèse. Merci à Laetitia Leanni, Frédéric Chauvet et Valery Guillou qui m’ont beaucoup appris et beaucoup aidé durant les « manips » dans les laboratoires 10Be et 36Cl. Merci également à Didier Bourlèse, Régis Braucher le Lucilla Benedetti pour leur aide et leur conseil concernant les analyses 10Be et 36Cl, ainsi que pour leur encouragement dans mon travail jusqu’à la fin de cette thèse, Je leur suis très reconnaissante. Finalement je remercie Lionel Siame, avec qui j’ai eu quelques courtes mais riches discussions, dommage qu’on n’ait pas pu plus travailler ensemble. Chaudes salutations à Leila et Morteza qui sont toujours là quoi qu’il arrive ainsi qu’à Madjid! Eh oui, je sais que j’étais très fatigante quand je n’arrêtais pas de râler pendant les pauses « déjeuner » et « café » ! mais ça y est, tout est fini maintenant… Je pense également à Sylvain, Guillaume, Cédric, Pierre et Mahabat, Luci, Guenael, Margot et Natalia... D’autres amis de l’IIEES (Téhéran, Iran), Parisa Mobayen et Maryam Farjamfar sur qui je pouvais compter sans inquiétude; mesdames Azimi et Bayani pour toutes leurs aides pendant mes missions et bien sure Mohsen, le meilleur chauffeur de l’IIEES, avec lui sur le terrain tout est possible. Un grande merci à Jules et sa famille, pour leur soutien permanant et leurs encouragements.
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