Introduction de Thèse de Doctorat

THÈSE
présentée
A L’UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR
DE STRASBOURG
pour obtenir
Le Grade de Docteur de l’Université
( Mention Sciences )
par
Orhan D. POLAT
Sismotectonique et aléa sismique de la région de Marmara
soutenue le 28 janvier 2002 devant la commission d’examen composée de MM :
Professeur Michel CARA
Président
Dr. Alfredo TABOADA
Rapporteur Externe
Dr. Gianluca VALENSISE
Rapporteur Externe
Dr. Louis DORBATH
Rapporteur Interne
Dr. Armando CISTERNAS
Directeur de Thèse
Prof. Haluk EYIDOGAN
Jury Invité
à mes parents …
à Merve …
Remerciements
Remerciements
J’ai bénéficié d’une bourse du gouvernement français (BGF) afin de mener à bien mes
études de Doctorat à l’Institut de Physique du Globe de Strasbourg (IPGS). Cette bourse a été
attribuée par l’Ambassade de France à Ankara dans la cadre de la coopération scientifique francoturque dans le domaine de la sismologie. Je remercie donc l’Ambassade de France à Ankara, le
Ministère des Affaires Etrangères de la France et le Service Culturel des Boursiers du CROUS à
Strasbourg. Ils ont financé mes études et facilité mon séjour en France pendant mon Doctorat.
Je dois remercier Armando Cisternas qui m’a proposé ce sujet de recherche. Au long de
ces trois années de thèse j’ai apprécié la confiance qu’il m’a accordée pour mener à bien mes
projets dans la cadre de cette thèse. J’ai aussi apprécié sa présence active sur le terrain et sa grande
expérience. Comme il aime à le répéter : “ The field is the only reality (A. Einstein)” et “A
seismologist is a man with a clock”. Travailler avec Armando Cisternas a été l’occasion pour moi
de découvrir des anecdotes dans le domaines des sciences de la terre.
Ce travail n’aurait pas pu voir le jour sans l’aide de Dr. Henri Haessler et de ses
suggestions. Il m’a beaucoup assisté au cours de ces trois années. C’est souvent lui qui résolvait
mes problèmes de toute nature. Merci aussi pour toutes les discussions extra-scientifiques et sur
l’Alsace.
Je remercie le professeur Michel Cara d’avoir bien voulu presider le Jury et juger mon
travail. Je remercie Gianluca Valensise (Dr., Instituto Nazionale di Geofisica, Rome-Italie),
Alfredo Taboada (Dr., Université Montpellier II) et Dr. Louis Dorbath d’avoir accepté de juger ce
travail et de participer au jury.
Je remercie également le professeur Haluk Eyidogan et Dr. Hervé Philip pour les
discussions particulières sur les données sismologiques et les interprétations géologiques de la
faille d’Izmit.
Merci à Dr. Luis Rivera pour ses explications et ses suggestions concernant mes études.
Quand je suis venu à l’IPGS en 1998, j’avais de très vagues connaissances sur Unix, Linux,
Fortran, etc. Pour moi, c’est un magicien de l’informatique! Il est “problem solver”.
Je remercie Michel Frogneux, Jacky Sahr et Hervé Blumentritt d’avoir participé aux
travaux de terrain en Turquie. Jacky Sahr était à Istanbul quand le séisme d’Izmit est arrivé
(Mw=7.6) le 17 août à 3h du matin. Un mois plus tard, j’étais avec Hervé Blumentritt cette fois et
nous dormions au 8ème étage d’une résidence gouvernementale à Tekirdag quand le séisme de l’Ile
de Marmara (Mw=5.0) nous a secoué, à minuit. Jamais je n’oublierai leur réaction en pleine nuit!
Merci à Cristina, à Jane et à Nicolas pour leur gentillesse au cours de notre séjour commun
dans le même bureau pendant notre Doctorat. Merci aussi à Monsieur Raul, mon collègue, pour
m’avoir aidé sur le chapitre cinq, et avoir travaillé avec moi sur la loi de Hurst pendant son court
séjour à l’IPGS.
Merci à tout l’IPGS pour son accueil. Je remercie particulièrement Alain Lauverjat de
m’avoir invité à des randonnées dans les Vosges, et à Michèle Laurent pour avoir arranger les
problèmes administratifs.
Remerciements
Je remercie le Consulat Général de la Turquie à Strasbourg. Je dois beaucoup à l’Attaché
Culturel du Consulat pour les facilités qu’il m’a accordées comme étudiant.
Ce travail s’inscrit dans le cadre de la coopération scientifique franco-turque en sismologie,
initiée par le séisme d’Erzincan de 1992. Elle se poursuivit par des échanges régulières de
chercheurs dans le cadre des échanges CNRS-TÜBITAK. Deux campagnes de mesure
sismologiques ont eu lieu en 1995 et 1999, et ont réuni l’Université Technique d’ Istanbul,
l’Observatoire de Kandilli (KOERI) de l’Université de Bogaziçi et le Centre de Recherche de
Marmara (MAM) de TÜBITAK du côté turque et l’EOST du côté français. L’étude du séisme
d’Izmit a été possible grâce au financement de l’INSU. Que tous ces organismes soient rémerciés.
Je remercie aussi les professeurs Naci Görür, Ahmet M. Isikara, Namik Yalçin, Mustafa Aktar,
Aykut Barka, Cemil Gürbüz et à Dr. Mehmet Ergin pour leur participation active à cette
coopération. Je remercie aussi mes amis et collègues qui travaillent à l’Université Technique
d’Istanbul, à l’Observatoire de Kandilli et à TÜBITAK MAM pour nous avoir aidés sur le terrain.
Merci à la Fondation Nationale Alfred Kastler (FNAK) de l’Académie des Sciences qui est
une organisation privée, pour avoir facilité mon séjour à Strasbourg. Leur aide a débuté avant mon
arrivé en France en 1998, quand j’étais à Istanbul. Elle s’est poursuivie ici et s’est révélée très utile
pour régler les problèmes bureaucratiques. Je remercie toute l’équipe de la FNAK et en particulier
Messieurs Yves Kleiser et Anthony Mauvais.
Je remercie l’Accueil International (AI) de l’ULP qui vient en aide aux épouses de
chercheurs étrangers, qui se retrouvent seules pendant la journée. Ma femme a beaucoup bénéficié
de leur aide et elle a essayé d’apprendre tous les secrets de la cuisine, des fromages et des vins
français. Merci aussi à toute l’équipe de l’AI et en particulier à sa directrice Mme Françoise
Boulanger.
Je dois remercier mes parents qui m’ont toujours encouragé et aidé à poursuivre mes
efforts. Merci à ma mère et à mon père pour leurs inoubliables conseils très avisés.
Enfin, par dessus tout, je tiens à remercier très fort mon épouse Merve qui m’a supporté,
dans tous les sens du terme, tout au long de cette thèse et qui a fait preuve d’une infinie patience
pendant mes absences parfois très longues.
Karicigim, je te remercie.
Résumé
Résumé
La Faille Nord Anatolienne (FNA) est une faille décrochante dextre qui s’observe en
surface sur près de 1500 km depuis Karliova à l’est d’Erzincan jusqu’à son entrée en mer Egée
(golf de Saros) à l’Ouest, après avoir traversé la Mer de Marmara et la péninsule de Gallipoli. La
région de le Mer de Marmara qui se trouve à l’extrémité Ouest de la FNA, est une zone tectonique
active caractérisée par la transition entre le régime décrochant dextre de la FNA à l’est et le régime
extensif de la Mer Égée à l’ouest. Une étude de microsismicité réalisée avec 48 stations distribuées
autour de cette région a été effectuée entre Octobre et Décembre 1995. Un total de 137
microséismes ont été localisés et 23 événements ont été choisis pour obtenir les mécanismes au
foyer. Les axes du tenseur des contraintes principales suggèrent un régime en décrochement. La
distribution épicentrale montre une concentration le long du système en pull-apart de la Mer de
Marmara au Nord. Après l’étude de 1995, on a décidé d’effectuer une autre campagne de mesures
pour améliorer nos connaissances dans cette région. Cette dernière étude a été effectuée entre le 15
juillet et le 2 novembre 1999. L'analyse des événements avant et après le séisme d'Izmit du 17 août
1999 a été faite. 1446 événements ont été bien localisés à partir d'un total de 3165 répliques
enregistrées. 96 événements enregistrés entre le 21 août et le 22 octobre 1999, ont été choisis afin
de calculer leurs mécanismes au foyer et d’obtenir des informations sur le régime de contraintes
après le séisme d'Izmit. La meilleure solution du tenseur des contraintes montre un régime en
extension avec un axe σ3 bien défini, et orienté environ N35°. Deux mille années de sismicité
historique ont été analysées par la méthode de Hurst afin d’établir son comportement temporel. Un
exposant H = 0.82, montre un caractère très persistant. Des analyses similaires faites pour dix
années de sismicité instrumentale donne une valeur de H = 0.69. Les répliques du séisme d’Izmit
montrent un caractère très persistant.
Abstract
Abstract
The North Anatolian Fault (NAF) Zone is a right-hand side strike-slip fault which is
approximately 1500 km-long from Karliova to the east of Erzincan to the Aegean Sea (Gulf of
Saros) at the west, after passing by the Marmara Sea and the Gallipoli peninsula. The Marmara
region which is at the western end of the NAF, is an active tectonic zone characterised by the
transition between the dextral strike-slip regime of the North Anatolian Fault (NAF) and the
extension regime of the Aegean Sea. A microseismic experiment with 48 stations distributed
around the Marmara Sea was carried out in October-December 1995. A total of 137
microearthquakes were located and 23 of those were selected to obtain focal mechanism solutions.
Principal stress tensor axes suggest a shear regime. The epicentral distribution indicates activity
along the system of pull-apart basins north of the Marmara Sea. After the 1995 experiment, we
decided to perform another one in order to improve our knowledge of the region. This al st
experiment was performed between July 15 and November 2, 1999. We have selected 1446 well
located events before and after the Izmit earthquake on August 17, 1999, over a total of 3165
recorded. 96 selected aftershocks registered between August 21 and October 22, were chosen in
order to compute their focal mechanisms and obtain information about the stress regime after the
Izmit earthquake. The best stress tensor solution shows a regime in extension with a well defined
3
axis oriented approximately N35°. Two thousand years of historical seismicity have been
analysed by using Hurst’s method, in order to establish its behaviour in time. A value of H = 0.82
shows a very persistent character. A similar analysis for ten years of instrumental seismicity gives
H = 0.69. Aftershocks of the 1999 Izmit earthquake show strong persistent behaviour with a very
large Hurst exponent.
i
Table des Matières
Table des Matières
Résumé
Abstract
Table des matières ............................................................................................................................... i
Abréviations ........................................................................................................................................ iv
Liste des Figures et Annexes ............................................................................................................. v
Liste des Tables ................................................................................................................................. xv
Introduction Générale ........................................................................................................... xvi
Chapitre 1. Contexte tectonique ........................................................................................ 1
1.1
L’Est de la Méditerranée ............................................................................ 1
1.2
La Faille Nord Anatolienne (FNA) ............................................................ 7
1.3
Région de la mer de Marmara .................................................................... 10
Références du Chapitre 1 et de ses Annexes ........................................................ 13
Chapitre 2. The seismotectonics of the Marmara region (Turkey) : results from a
microseismic experiment .................................................................................. 24
Abstract .............................................................................................................. 25
2.1
Introduction ............................................................................................... 26
2.2
Geodynamics and active tectonics .............................................................. 26
2.3
Seismicity of the region ............................................................................. 29
2.4
Microseismic experiment ........................................................................... 30
2.5
Focal mechanisms and stress tensor analysis .............................................. 33
2.6
Conclusions................................................................................................ 39
Références du Chapitre 2 .................................................................................... 40
Chapitre 3. The Izmit (Kocaeli) Turkish earthquake of August 17, 1999 : Previous
seismicity, aftershocks and seismotectonics ..................................................... 42
Abstract .............................................................................................................. 43
3.1
Introduction ............................................................................................... 44
3.2
Main results from the 1995 expremient ...................................................... 45
ii
Table des Matières
3.3
Background seismicty and the aftershocks of the 1999 Izmit earthquake .... 48
3.4
Focal mechanisms of the Izmit aftershocks and stress tensor analysis ......... 51
3.5
Surface ruptures, seismicity and segmentation ............................................ 52
3.6
Precursors to the Main Shock .................................................................... 60
3.7
Conclusions ............................................................................................... 62
Références du Chapitre 3 .................................................................................... 64
Chapitre 4. Analysis and interpretation of the aftershock sequence of the August 17,
1999, Izmit, (Turkey) earthquake .................................................................... 67
Abstract .............................................................................................................. 68
4.1
Introduction ............................................................................................... 69
4.2
Aftershock analysis of the 1999 Izmit earthquake ....................................... 70
4.3
Depth distribution along the Izmit aftershock zone ..................................... 74
4.4
Stress tensor and focal mechanisms inversion............................................. 77
4.4.1
State of stress along the Izmit aftershocks zone .............................. 77
4.4.2
State of stress at the west of the Izmit aftershocks ........................... 82
4.5
Seismotectonic analysis ............................................................................. 84
4.6
Discussion and Conclusions ...................................................................... 89
Références du Chapitre 4 .................................................................................... 90
Chapitre 5. Analyse Temporelle de la Sismicité de la Mer de M armara ......................... 97
5.1
5.2
Introduction ............................................................................................... 97
5.1.1
La Méthode de Hurst ..................................................................... 97
5.1.2
Série temporelle stochastique avec indépendence ........................... 98
5.1.3
Série temporelle avec mémoire ...................................................... 101
Application de la méthode de Hurst à la sismicité de la région de Marmara.
Contrôle de la Stabilité .............................................................................. 102
5.3
5.2.1
Sismicité historique ....................................................................... 104
5.2.2
Sismicité instrumentale .................................................................. 107
5.2.3
Répliques du séisme d’Izmit .......................................................... 109
Conclusion ................................................................................................ 111
Références du Chapitre 5 .................................................................................... 112
iii
Table des Matières
Synthèse générale ............................................................................................................... 113
Références bibliographiques générales .............................................................................. 115
Annexe I. Sismicité historique de l’Est de Méditerranée .................................................... 130
Annexe II. Sismicité instrumental de l’Est de Méditerranée ................................................ 141
Annexe III. Les méchanismes au foyer de l’Est de Méditerranée .......................................... 143
Annexe IV. Analyse Temporelle de la Sismicité de la Mer de Marmara .............................. 155
Annexe V. Les photos des ruptures de surface du séisme d’Izmit .......................................... 168
iv
Abréviations
Abréviations
DAD
:
Bureau de Recherche du Séisme, Ankara-Turquie
IEES
:
Institut d’International de l'Ingénieur du Séisme et la Sismologie, TéhranIran
IPGS
:
Institut de Physique du Globe de Strasbourg, France
ITÜ
:
Université Technique d’Istanbul, Turquie
KOERI
:
Institut de Recherche du Séisme et l’Observatoire de Kandilli, Université
Bogaziçi, Istanbul-Turquie
LAT
:
Latitude ( ° )
LON
:
Longitude ( ° )
MAM
:
Centre de Recherche de Marmara de TÜBITAK, Gebze-Turquie
Mb
:
Magnitude des ondes de surface
ML
:
Magnitude locale
Mw
:
Magnitude moment
NEIC
:
Centre National de l’Information du Séisme, États-Unix
NKUA
:
Université National et Kapodistrian d'Athènes, Grèce
NOA
:
Observatoire National d'Athènes, Grèce
TÜBITAK
:
Centre National de Recherche Scientifique et Technique de la Turquie,
Ankara.
WDC-SEG
:
Centre de Donnée du Monde pour la Physique du Globe Solide, MoscouRussie
v
Liste des Figures et Annexes
Liste des Figures
Chapitre I : Contexte tectonique
Figure 1.
Carte tectonique de l’Est de la Méditerranée. Le relief et la bathymétrie résultent
d’une combinaison de TOPO30 et de TOPO5. Les structures tectoniques sont
extraites de Barka (1992), Eyidogan (1988), Klinger (1999), McClusky et al.
(2000), McKenzie (1972), Philip et al. (1989), Rebai et al. (1993), Reilinger et al.
(1997) et Sengör (1987). AC: Arc de Chypre, BKB: Bassin Kuban, BKR: Bassin
Kura, BT: Bassin Terek, FEA: Faille Est Anatolienne, FJ: Faille Jourdain, FK:
Faille Kefalonienne, FLS: Faille du Lac Selle, FNEA: Faille Nord-Est
Anatolienne, FNA: Faille Nord Anatolienne, GA: Golf d'Antalya, GM: Grand
Menderes, GI: Golf d'Iskenderun, JTK: Jonction Triple de Karliova, MC; Mer
Caspienne, MR: Mer Rouge, PC : Petit Caucase, PM: Petit Menderes, TI:
Triangle d'Isparta.
Figure 2.
Vitesses horizontales, données GPS (Global Positioning System) entre 1988 et
1997 et SLR (Satellite Laser Ranging) entre 1985 et 1993 à l’Est de Méditerranée.
Les vitesses sont plus rapides au niveau de la Mer Egée et de l’Arc Hellénique dans
la direction SO que celles du Caucase et de l’Anatolie par rapport à l’Eurasie
(d’après McClusky et al., 2000; Smith et al., 1994).
Figure 3.
La sismicité historique de l’Est de la Méditerranée pendant la période 2150 avJC –
899. Les séismes de magnitude supérieure à 6.5 ou d’intensité supérieure à IX, ont
été reportés. Les isoséistes sont de Barka (1987) et Berberian (1997). Pour les
autres références et détails voir Annexe I.
Figure 4.
Sismicité instrumentale de l’Est de la Méditerranée (M > 5) pendant la période1900
- 2000. Pour les sources et autres détails, voir Annexe II.
Figure 5.
Les mécanismes au foyer des séismes (M>5) de l’Est de la Méditerranée pendant la
période 1909 - 2000. Pour les paramètres des mécanismes, les sources et autres
vi
Liste des Figures et Annexes
détails, voir l’Annexe III.
Figure 6.
a). La Faille Nord Anatolienne (FNA), ses branches et les autres grands accidents
tectoniques de la région (d’après Barka 1992). b). Segments de la FNA ayant été
activés au cours du 20ème siècle, par des séismes majeurs (documents USGS
modifié). Il y a une lacune dangereuse dans la Mer de Marmara sur la branche
Nord, qui constitue un risque sismique très important pour la ville d’Istanbul.
Figure 7.
Sismicité historique de la FNA, Io > IX et /ou M>6.5. les séismes sont sur la faille
principale ou sur ses branches, (pour les références et les autres détails, voir
Annexe I).
Figure 8.
Sismicité instrumentale de la FNA (M > 4). Les concentrations principales sont
autour de la Jonction Triple Karliva (JTK), les Grand et Petit Caucase et sur la
branche Nord de la Mer de Marmara (pour les références et autres détails, voir
Annexe II).
Figure 9.
Mécanismes au foyer de la FNA pour les séismes de magnitude supérieure à 5. Les
séismes destructeurs de la FNA de magnitude supérieure à 7 sont généralement
localisés sur la branche principale (pour les références et autres détails voir Annexe
III).
Figure 10.
a). Les branches de la FNA dans la région de la Mer de Marmara (bathymétrie
d’après Wong et al., 1995 ; 1995 ; failles d’après Barka, 1997). BT: Bassin de
Tekirdag, BCM: Bassin Central de la Mer de Marmara, BÇ: Bassin de Çinarcik,
PK: Péninsule de Kapidag, PB: Péninsule de Biga. b). Les failles actifs et les
séismes historiques dans la région de la Mer de Marmara (Barka, 1997).
Figure 11.
Sismicité instrumentale de la Mer de Marmara, pour M > 3 (voir Annexe III).. GI :
Golf d’Izmit, GS : Golf de Saros, PB : Péninsule de Biga (failles d’après Barka,
1997)
vii
Figure 12.
Liste des Figures et Annexes
Mécanismes au foyer de la mer de Marmara, pour M>5 (voir Annexe III). Iz : Izmit
(failles d’après Barka, 1997).
Chapitre II : The seismotectonics of the Marmara region (Turkey) : results from a
microseismic experiment
Figure 1.
(a) Topographic map of the Marmara region and surrounding areas, and
bathymetry of the Marmara Sea showing that the northern branch of the NAF is
segmented into threepull-apart basins. (b) Location of the main cities in the region.
Figure 2.
Numerical model of terrain for the Marmara area. Topographic gradient in the
direction N30°. The presence of fault scarps in the direction of the NAF and its
three main branches is enhanced. Arrows indicate some scarps of the northern,
central and southern branches. Compare with Fig.3 in order to identify active
faulting.
Figure3.
Active faulting and historical earthquakes in the Marmara region (modified after
Barka,1997). Black thick lines : active faults recognised by geology and
geophysics. Redlines : surface ruptures of earthquakes of this century. Yellow
ellipses : estimated rupture areas of historical earthquakes within the period 17001900AD.
Figure 4.
Seismicity of the Marmara region for the period 1986-1996, from the network of
the Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute (KOERI). Observe the
linearity of seismicity associated to the northern branch of the NAF, and the two
gaps located at the eastern part of the MarmaraSea.
Figure 5.
Map of permanent (Kandilli) and temporary seismic stations used during the
Marmara Sea experiment (October - December 1995).
viii
Figure 6.
Liste des Figures et Annexes
Epicentral map of all 137 local events recorded during the Marmara Sea
experiment.
Figure 7.
Epicentral map of the 91 best located micro-earthquakes of Fig.6. Events selected
have at least five P and two S arrivals, and a rms of residuals <0.5 s.
Figure 8.
NS and EW cross-sections showing the depth distribution of best located
earthquakes. Depth was fixed at 10 km when control was insucient. Activity is
confined to the upper 15 km of the crust.
Figure 9.
Geographic distribution of the 23 focal mechanisms obtained during the 1995
experiment. Lower hemisphere Schmidt pro-jection. Polarities of black areas are
compressions.
Figure 10.
Polarities and fault plane solutions obtained in the joint inversion of focal
mechanisms and stress tensor (Rivera and Cisternas, 1990). , Dilatations;
, compressions. Ellipses show one standard deviation of the pole of one of the
nodal planes. A star indicates poorly constrained solutions. The direction of the
striation is shown as a line on the fault plane whenever this can be recognised.
Figure 11.
Individual focal mechanism solutions obtained from the global network for
earthquakes with magnitude MS > 5 since 1943.
Figure 12.
Stress tensor determinations. Schmidt projection of the principal stress axes on the
lowerhemisphere : (a) joint analysis of selected events during the 1995 experiment
with one standard deviation ellipses for each axis. The shape factor R=0.5 defines a
shear (intermediate) regime. (b) The stress tensor obtained from individual focal
mechanisms of the teleseisms of Fig.11 and Table 2. The best 15 tensors obtained
by a Monte Carlo inversion method are shown. The shape factor R=0.93 indicates
a strike-slip regime close to extension. The orientation of the axes is almost
identical in both cases.
ix
Liste des Figures et Annexes
Chapitre III : The Izmit (Kocaeli) Turkish earthquake of August 17,, 1999 : Previous
seismicity, aftershocks and seismotectonics
Figure 1.
Topography and bathymetry of the Marmara Sea region. The northern branches of
the North Anatolian Fault are seen as scarps in the relief southeast of Istanbul, and
across the three deep basins on the northern half of the Marmara Sea (after Barka,
1992). It then cuts the Gallipoli peninsula and goes into the Saros basin (on-land
faults are better evidenced by gradient of relief, see Fig.2 of Gürbüz et al. (2000)).
The ruptured area of the 1999 Izmit earthquake goes from (29.2°E, 40.7°N), along
the Izmit Bay, to (30.6°E, 40.6°N) and then changes direction to (30.9°E, 40.5°N).
Figure 2.
Microseismicity recorded in 1995 by a local network. A cluster is seen at the
eastern end of the Izmit Bay, in the epicentral region of the 1999 Izmit earthquake.
Figure 3.
Stress tensor in an equal area projection on the lower hemisphere, determined from
the 1995 Marmara experiment (a), and from global seismicity between 1942 and
1997 (b). Both are in an intermediate (shear) regime with ó2 vertical, with shape
factors R = 0.5 and 0.9. The extension axis ó3 is oriented similarly in both cases
(N32° and N35°).
Figure 4.
Map of the epicentres recorded after July 17, 1999, and before the 1999 Izmit main
shock. The experiment includes data from the permanent stations of the KOERI,
plus a temporary network (IPGS and TÜBITAK-ESRI).
Figure 5.
Mainshock of the 1999 Izmit earthquake (large star) and its aftershocks. Time
windows are a week long each. a) 17-24 August. b) 25-31 August. c) 1-8
September. d) 9-16 September. e) 17-24 September. f) Total sequence: 17 August–
24 September, the seismicity before the Izmit earthquake are shown as filled black
rectangles for reference.
Figure 6.
Map of 60 focal mechanisms obtained for the period July 17 - September 24, 1999,
x
Liste des Figures et Annexes
with their epicentres. The mechanisms are shown in an equal area projection on
the lower hemisphere.
Figure 7.
a) Stress Tensor in extension (R = 2.0) obtained from the data of Figure
6 and Table 1. b) Focal mechanisms obtained within the same inversion
process. Filled symbols are compressions, and open symbols are
dilatations. The 95% confidence ellipses of the poles of fault planes, and
the striae (short lines) along the fault planes, when they can be identified
by the inversion, are also shown.
Figure 8.
a) Relative horizontal displacement across the fault segments as a function of
position. Maximum observed displacement is of the order of 5 m of dextral strike
slip. Four segments, separated by sites with minimum slip, are individualized. b)
Detailed map of ruptures near Gölcük: segment of the main EW shear rupture, plus
local normal faulting. Vertical (V) and horizontal (H) measurements are expressed
in meters.
Figure 9.
Observed (solid lines) and inferred (broken lines) surface ruptures, together with
the epicentres located within the period going from July 17, 1999, to September 24,
1999.
Figure 10.
a) Three component recording of the precursor (Armutlu station). b) Three
component recording of the 1999 Izmit main shock (Armutlu station). c) Particle
motion for the initial P arrival of the precursor. d) Particle motion for the initial P
arrival of the main shock.
Figure 11.
Time variation of the number of events within the period July 17 - September 24.
There is a quiescence period of 18 days just before the main shock. The cluster near
Balikesir city is excluded.
xi
Liste des Figures et Annexes
Chapitre IV : Analysis and interpretation of the aftershock sequence of the August 17, 1999,
Izmit, (Turkey) earthquake
Figure 1.
Tectonic features of the Marmara Sea region, together with the USGS DEM 30sec
topography (after Barka, 1992). The northern branches of the North Anatolian
Fault are seen as scarps in the relief southeast of Istanbul, and across the deep
basins on the northern half of the Marmara Sea in the west. It cuts the Gallipoli
peninsula and goes into the Saros basin (the political boundary of the city of
Istanbul is drawn in gray color). AP: Armutlu peninsula, Ç : Çinarcik, ÇD : Çatal
Delta ,D : Degirmendere, GB : Gemlik Bay, GP : Gallipoli peninsula, HD :
Hersek Delta, IB : Izmit Bay, PI : Prince Islands, SL : Sapanca Lake, Y : Yalova,
1967 : Mudurnu Valley rupture zone (M~7.1).
Figure 2.
Aftershock distribution of the 1999 Izmit earthquakes (August 17-October 23,
1999) as recorded by a local network. The figure shows the stations that were used
for the location. Most of them functioned since July 15, 1999. Aftershocks with
magnitudes greater or equal to 4 can be seen in the inset of the figure. Three
clusters are seen, together with the epicenter (large star). See Figure 1 for the
names of places.
Figure 3.
Seismicity of the Marmara Sea region before and after the Izmit earthquake (large
star) displayed by time windows one week long each. BI : Büyükada Island, G :
Gölcük, IL : Iznik Lake, MI : Marmara Island, see also Figure 1. a) Seismicity
before the main shock (empty rectangles) July 15-August 16. b) 17-24 August.
c) 25-31 August. d) 1-8 September. e) 9-16 September. f) 17-24 September. g)
25-30 September. h) 1-23 October. i) Cumulated seismicity: a) to h).
Figure 4.
Histogram of the number of events with time for the period July 15-October 23. A
quiescence period of 18 days is observed just before the main shock. The
hyperbola shows the least squares adjusted Omori’s law.
xii
Figure 5.
Liste des Figures et Annexes
a) Epicenters. b) Hypocentral distribution of the Izmit aftershocks (the depth of the
main shock is fixed at 15 km, at the lower depth of aftershocks). The boundaries of
the three parallel depth-cross sections (A-A’, B-B’, C-C’) are seen on Figure 5a.
Figure 6.
Depth distribution of the Izmit aftershocks on three NS cross-sections (A-A’, B-B’,
C-C’). The number of events in each section is 808, 135 and 176 respectively.
Figure 7.
a) Map of 96 focal mechanisms obtained for the period August 21-October 22,
1999 all along the aftershock zone. The mechanisms are shown in an equal area
projection on the lower hemisphere. Most of the mechanisms show a dominant
strike slip or normal component except for four clear reverse faults (N° 31, 39, 83,
87). b) Stress tensor parameters, shape factor R (equal to 1.6 ± 0.1) and likelihood
value (94%). Maximum values are normalized to 1. The score indicates the
normalized number of polarities consistent with the stress tensor. The error ellipses
correspond to one standard deviation.
Figure 8.
a) Map of 50 focal mechanisms obtained for the period August 21-October 20,
1999 at the western part of the Izmit Bay. Most of the events are located near
Çinarcik and Hersek delta. b) Stress tensor parameters for the region (see Figure
7b for definitions), shape factor R (1.8 ± 0.3) and likelihood (96%).
Figure 9.
Observed (solid lines) and inferred (broken lines) surface ruptures, together with
the epicenters located within the period August 17 to November 2, 1999. Four
clear segments are shown: 1. Degirmendere-Tiktik. 2. Tiktik-Sapanca Lake. 3.
Sapanca Lake-Akyazi. 4. Akyazi-Gölyaka. Site names (see also Figures 1 and
3): A : Akyazi, AD : Adapazari, GY : Gölyaka, H : Hendek, IZ : Izmit, K : Kullar,
KD : Karadere, KM : Karamürsel, T : Topçular.
Figure 10.
Field measurements along the Izmit surface rupture. The slip is shown at selected
places. Site names (see also Figures 1, 3 and 8 and Table 2): Ar : Arifiye, Dt :
Degirmentepe, G : Gölyaka, IB : Izmit Bay, Kd : Karadere, Tt : Tepetarla, tk :
Tiktik.
xiii
Liste des Figures et Annexes
Chapitre V : Analyse Temporelle de la Sismicité de la Mer de Marmara
Figure 1.
Diagramme de Hurst de l’énergie cumulée des séismes pour lé Mexique. Le point
noir est le séisme du Mexique en 1985 (Lomnitz, 1994), et il est dans l’intervalle
prédit par la fluctuation.
Figure 2.
Exemple de diagramme de Hurst pour une série temporelle.
Figure 3.
Sismicité historique de la région de Marmara entre la période 32 et 1999, M>6.8
(modifié après d’Ambraseys, 2002).
Figure 4.
Diagramme de l’énergie cumulée des séismes historique de la Région A de la Mer
de Marmara par rapport le temps.
Figure 5.
Diagramme l’exposant de Hurst (R* ~ t H) pour la région A de la Mer de Marmara
(voir Figure 3).
Figure 6.
Diagramme de l’énergie cumulée des séismes historiques de la Région B de la Mer
de Marmara par rapport le temps.
Figure 7.
Diagramme l’exposant de Hurst (R* ~ t H) pour la région B de la Mer de Marmara
(voir Figure 3).
Figure 8.
Sismicité instrumentale de la région de la Mer de Marmara entre la période 1986 et
1996 (2.8 < M < 4.7, après KOERI).
Figure 9.
Diagramme de l’énergie cumulée des séismes instrumentaux de la région de la Mer
de Marmara par rapport le temps entre la période 1986 et 1996.
Figure 10.
Diagramme l’exposant de Hurst (R* ~ t H) pour la région de la Mer de Marmara
entre la période 1986 et 1996.
xiv
Liste des Figures et Annexes
Figure 11.
Les répliques du séisme d’Izmit du 17 août 1999 (Mw=7.6).
Figure 12.
Diagramme de l’énergie cumulée des répliques d’Izmit par rapport le temps entre
la période 17 août et 23 octobre, 1999.
Figure 13.
Diagramme l’exposant de Hurst (R* ~ t H) pour les répliques du séisme d’Izmit
entre la période 17 août – 23 octobre, 1999.
Liste des Annexes
Annexe I.
Sismicité historique de l’Est de la Méditerranée.
Annexe II.
Sismicité instrumental de l’Est de la Méditerranée.
Annexe III.
Les mécanismes au foyer de l’Est de la Méditerranée.
Annexe IV.
Analyse Temporelle de la Sismicité de la Mer de Marmara.
Annexe V.
Les photos des ruptures de surface du séisme d’Izmit.
xv
Liste des Tables
Liste des Tables
Chapitre II : The seismotectonics of the Marmara region (Turkey) : results from a
microseismic experiment
Table 1.
Velocity model for the Marmara area from VELEST inversion.
Table 2.
Focal mechanisms from global network (Eyidogan, 1988).
Chapitre III : The Izmit (Kocaeli) Turkish earthquake of August 17,, 1999 : Previous
seismicity, aftershocks and seismotectonics
Table 1.
Focal mechanism parameters of the 60 resolved events.
Chapitre IV : Analysis and interpretation of the aftershock sequence of the August 17, 1999,
Izmit, (Turkey) earthquake
Table 1.
Focal mechanism of 96 events along the aftershock zone and west of Izmit bay.
Table 2.
Horizontal (h) and vertical (v) offset measurements along the Izmit fault.
xvi
Introduction Générale
Introduction Générale
Ce travail s’inscrit dans le cadre de la coopération scientifique franco-turque en sismologie,
initiée lors du séisme d’Erzincan de 1992. Elle s’est poursuivie par des échanges réguliers de
chercheurs dans le cadre des accords CNRS-TÜBITAK. Deux campagnes de mesures
sismologiques ont eu lieu en 1995 et 1999, et ont réuni l’Université Technique d’Istanbul,
l’Observatoire de Kandilli (KOERI) et TÜBITAK-MAM du côté turc et l’EOST du côté français.
L’étude du séisme d’Izmit a été possible grâce au financement de l’INSU.
L’Est de la Méditerranée peut etre divisé en differentes structures : Plaques Eurasienne,
Arabe et Africaine ; blocs Egéen et Anatolienne.
Le bloc Anatolienne se déplace vers l’Ouest en réponse à la compression due à la
convergence vers le nord de la plaque Arabie et de sa collision avec l’Eurasie. Ce mouvement
échappatoire, s’accompagne d’une rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. De
plus, l’Anatolie est le siège de la transition entre le régime compressif du Caucase et le régime
extensif Egéen. Le mouvement de cette partie de la Turquie est possible grâce à la Faille Est
Anatolienne (FEA), décrochante senestre; mais également grâce à la Faille Nord Anatolienne
(FNA). La poussée vers le nord de l’Arabie engendre donc de la compression et du
raccourcissement au niveau du Grand et du Petit Caucase (Philip et al., 1989). Cette compression
est aussi présente au niveau de l’Arc Hellénique, où la subduction est toujours active. C’est au
Nord de cette limite entre la plaque Africaine et la plaque Eurasienne, en Mer Egée, que prend
place l’extension dans ce domaine de bassin d’arrière arc (Reilinger et al., 1997).
La FNA est une faille décrochante dextre qui s’observe en surface sur près de 1500 km
depuis Karliova (JTK) à l’est d’Erzincan (~40°E) jusqu’à son entrée en mer Egée (golf de Saros) à
l’Ouest, après avoir traversé la Mer de Marmara et la péninsule de Gallipoli (Figure 6a). Sa largeur
varie de quelques centaines de mètres à 40 km (Bozkurt, 2001). Plusieurs séismes se sont produits
sur cette faille dans le passé. Elle a surtout présenté une activité sismique tout a fait remarquable au
cours du 20ème siècle, avec une migration régulière vers l’ouest depuis le séisme d’Erzincan de
1939, à l’est de la Turquie. Avant les deux séismes destructeurs de 1999, il y avait une lacune
sismique entre le séisme de Saros-Sarköy (ou Gallipoli) du 1912, et le séisme de la vallée de
xvii
Introduction Générale
Mudurnu, de 1967. Jusqu’en 1967, six séismes ont cassé près de 900 km de faille, avec une
remarquable progression d’Est en Ouest (Barka, 1996; Stein et al., 1997) à partir du séisme
d’Erzincan de 1939. Et finalement la lacune entre les séismes de 1912 et de 1967 a été
partiellement remplie par les deux séismes destructeurs de 1999 (Izmit, le 17 août et Düzce le 12
novembre) en 1999. Mais il reste encore une lacune dangereuse dans la Mer de Marmara sur la
branche Nord de la faille, ce qui constitue un risque majeur pour les villes de la région.
La région de le Mer de Marmara se trouve à l’extrémité Ouest de la FNA. La FNA est
aisément reconnaissable jusqu’à l’Ouest de Bolu (~31.5°E), puis elle se divise en trois dans la
région de la Mer de Marmara. La première branche au Nord longe la côte sud du lac de Sapanca et
du golf d’Izmit puis se présente comme un système de bassins en pull-apart dans la partie nord de
la Mer de Marmara avant de couper la péninsule de Gallipoli et de pénétrer en mer Egée dans le
golf de Saros. La deuxième branche passe au Sud du Lac d’Iznik et au sud du golf de Gemlik, puis
elle continue le long de la côte Sud de la Mer de Marmara jusqu’à la péninsule de Kapidag. Sa
direction s’infléchit vers Sud-ouest dans la péninsule de Biga et passe près d’Ezine. La troisième
branche, plus au Sud, est moins nette que les autres branches. Elle passe au Sud de Bursa et des
lacs Uluabat et Manyas. Après le lac Manyas, la troisième branche oblique vers le Sud-ouest et
continue en faille décrochante dextre jusqu’au golf d’Edremit qui a une structure de graben. (Barka
and Kadinsky-Cade, 1988; Straub, 1996).
Notre travail s’est focalisé sur quelques points :
•
Evaluation de tenseur des contraintes. Un premier résultat a été obtenu avec les données
recueillies en 1995, une deuxième estimation a été faite après le séisme destructeur d’Izmit
du 17 août 1999.
•
Amélioration de notre connaissance sismologique dans la région de la Mer de Marmara
grâce aux campagnes de 1995 et 1999.
•
Comparaison de nos données sismologiques avec les segments de la faille d’Izmit qui a
cassé la région de Marmara sur près de 150 km avec un déplacement maximal de l’ordre de
5 m.
•
Evaluation de l’aléa dans la région de Marmara suivant la méthode de Hurst.
xviii
Introduction Générale
Dans le Premier Chapitre, nous replaçons la région de Marmara dans son contexte
tectonique régional en décrivant les interactions des nombreux blocs et plaques qui interviennent.
Pour améliorer l’étude des interactions des plaques, nous fournissons notamment la sismicité
historique qui a été compilée à partir de nombreux catalogues, notamment les catalogues iranien,
russe, égyptien, turc et grec ainsi que la sismicité instrumentale et des mécanismes au foyer pour
tout l’est de la Mer Méditerranée.
Le Second Chapitre est consacré à l’étude sismologique autour de la Mer de Marmara le
projet de 1995. Nous expliquons les résultat initiaux qui ont été obtenus durant les mois d’octobre,
novembre et décembre 1995 tels que la distribution spatiale des épicentres, le tenseur de
contraintes régional à partir des mécanismes au foyer.
Le Troisième Chapitre est plus particulièrement consacré au projet de Marmara-1999 et à
l’étude du séisme d’Izmit de magnitude (Mw=7.6) qui s’est produit le 17 août 1999 dans la région
de la Mer de Marmara. Les premiers résultats sismologiques et tectoniques ont été donnés dans ce
chapitre. Nous nous concentrons sur les études de terrain, et l’analyse des répliques jusqu’au 25
septembre 1999, puis à la comparaison des tenseurs des contraintes de 1995 et 1999, construits à
partir des mécanismes au foyer.
Le Quatrième Chapitre est consacré à une étude détaillée et complète du séisme
destructeur d’Izmit de 1999. Les observations et les nombreuses mesures de terrain ainsi que les
études sismologiques nous ont permis d’identifier les segments de la faille d’Izmit sur le contient
mais aussi sous la Mer de Marmara. Finalement, nous faisons une ré-évaluation du tenseur des
contraintes à partir des mécanismes au foyer, avec un ensemble très complet de données durant la
période du 15 juillet au 2 novembre 1999.
Dans le Cinqième chapitre, nous cherchons à évaluer l’aléa dans la région de Marmara
suivant la méthode de Hurst. Nous allons décrire la méthode de Hurst, et l’utiliser pour analyser la
sismicité historique de la Mer de Marmara, région où se sont produits les séismes d’Izmit et de
Düzce en 1999, et aussi pour étudier les répliques du séisme d’Izmit.