Tectonique et hydrologie en mer de Marmara : Histoire de l’ouverture de la mer de Marmara et reconstitution de la réponse hydrologique aux variations climatiques depuis le dernier interglaciaire

The Marmara Sea, connected to the Mediterranean Sea through the Dardanelles Strait and to the Black Sea through the Bosphorus, is the keystone of a complex hydrological system. Through the Marmara Sea, freshwater flows westward while heavier marine water flows eastward below. However, 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 Sea of Marmara is also an active tectonic structure and its morphology is still slowly being modified by the movements of the North-Anatolian fault northern branch. The ruptures of this continental dextral transform fault, one of the longest fault in the world, are regularly causing massive earthquakes and are a threat to Istanbul and its 15 million inhabitants. Since the Ganos and the Koaceli earthquakes that occurred east and west of the Marmara Sea during the 20th century, 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 from two different time and space-scale.The first study presents an interpretation of the relations between the crustal structure and the fault geometry that led to a quantification of the total extension taken by the area since the opening of the first basins. Calculations are based on the analysis of a 3D crustal model built from the inversion of gravity data corrected from the influence of sedimentary basins. We then compared the surface that can be covered by the resulting crust volume before deformation with the surface of our studied area. The difference corresponds to an estimation of the total extension. When compared with GPS extension rate, it indicates that the extension rate has been close to stable since a first purely extensional stage before the North Anatolian Fault incursion. Moreover, based on the comparison of the crust model geometry with the faults location, we propose that the mechanisms of the fault propagation were not the same in the whole Marmara Sea. Finally, the lower crust thinning away from the basins reveals the role of ductile flows in the deformation distribution.The second study purpose was to confirm or reverse, the sedimentary age models available in the Marmara Sea. These models are primarily based on the interpretation of seismic horizons showing repetitive sedimentary figures, related to climatic cycles, and on the extrapolation of recent sedimentation rate. The only estimations of medium term fault slip rates (~500 000 years) are based on these models. By targeting precise coring locations on the sea floor, we tried to reach directly the sediments constituting the first main reflectors in order to verify the proposed ages and, ultimately, to verify the age models and the fault slip rate estimations. We used a broad range of methods to build a new age model for one core such as geophysics, for correlating precisely seismic synthetics and seismic signals, or indirect dating methods such as paleo-magnetism, and tephrochronology. A paleo-environmental characterization of the sediments from fossil, mineral and chemical contents completed this work. The results give a date for the first main reflector that is younger than the one assessed by previous studies. If it does not reverse entirely the models, it suggests that the proposed ages may be shifted inside one 100 ky glacio-eustatic cycle. From our various results, we also propose a detailed reconstitution of the paleo-environment and paleo-hydrology evolution in the Marmara Sea since the last interglacial stage. In particular, we give evidence for the gradual salinity decrease and for the establishment of a stratified water column at the beginning of the glacial stage.La mer de Marmara, reliée à la Méditerranée par le détroit des Dardanelles et à la mer Noire par le Bosphore, est la clef de voute d’un système hydrique complexe où l’eau douce transite vers l’Ouest tandis que de l’eau salée circule en profondeur vers l’Est. Toutefois cet équilibre a régulièrement été rompu, lorsque la baisse du niveau global des océans provoquait l’isolement de la Mer de Marmara. L’alternance de dépôts sédimentaires lacustres et marins témoigne de ces variations. Mais la mer de Marmara est aussi une structure tectonique active dont la morphologie est lentement modifiée 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 et menace Istanbul et ses 15 millions d’habitants. 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 propose une interprétation des liens entre la structure crustale et la géométrie des failles, ainsi qu’une quantification de l’extension totale accommodée dans la région depuis l’ouverture des premiers bassins. Elle se base sur l’analyse d’un modèle 3D de la croûte construit par inversion de données gravimétriques corrigées de l’influence des bassins sédimentaires. La différence entre la surface actuelle du domaine d’étude et la surface accommodable avant déformation avec le volume modélisé donne une estimation de l’extension dans la région. Comparé aux vitesses actuelles mesurées par GPS, notre estimation indique que les taux de déformation par extension ont peu varié depuis un premier stade probablement purement extensif antérieur à l’incursion de la faille. La comparaison de la géométrie du volume représenté par la croûte et de la localisation des failles permet aussi de proposer des mécanismes différents de propagation de la faille entre deux blocs Est et Ouest. Enfin, l’amincissement de la croûte inférieure, étalé au-delà des limites des bassins profonds de la mer de Marmara, révèle le rôle de flux ductiles modérés dans la répartition de la déformation.La deuxième étude visait à confirmer les modèles d’âges des sédiments proposés actuellement en mer de Marmara. Ces modèles reposent sur l’interprétation d’horizons sismiques constituant des figure sédimentaires répétitives, reliées aux cycles glacio-eustatiques, et sur l’extrapolation de taux de sédimentation récents. Or, les seules estimations de vitesse de la faille à moyen terme (~500 000 ans) reposent sur ces modèles. En choisissant des points de carottage précis, nous avons cherché à atteindre directement les sédiments à l’origine des premiers réflecteurs sismiques interprétés afin de vérifier les âges proposés pour, ensuite, valider ou non les estimations de vitesses de la faille. Les méthodes appliquées lors de ce travail vont de la géophysique, pour la corrélation précise des carottes de sédiment et des signaux sismiques, à la caractérisation paléo- environnementale des dépôts, pour la construction d’un modèle d’âge au sein de la carotte, en passant par l’application de méthodes de datation indirectes telles que 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. S’il n’invalide pas les modèles d’âges antérieurs, il suggère que les âges proposés sont sans doute décalés au sein des cycles glacio-eustatiques. A travers ce travail, nous proposons également une reconstitution détaillée de l’évolution paléo- environnementale et paléo-hydrologique de la mer de Marmara depuis le dernier interglaciaire retraçant notamment la désalinisation graduelle de la colonne d’eau et sa stratification pendant la période de transition vers la glaciation