Structure et évolution du bassin arrière-arc Ligure et de sa marge nord : apports de l'imagerie géophysique profonde de la campagne SEFASILS

The Ligurian Basin, at the junction between the Western Mediterranean and the Alpine chain, opened in back-arc extension between the Oligocene and the Miocene, driven by the rollback of the African slab under Eurasia. This episode created complex structures in an already heterogeneous lithosphere. The basin and its northern margin are currently undergoing compression, as evidenced by a weak convergence measured by GPS and seismicity analysis. Morpho-structural evidence indicates that this trend has been underway since the Pliocene.The aim of this thesis was to explore the deep structure of the Ligurian Basin and its northern margin in order to clarify the modalities of its formation. The work was based on the exploitation of data from the SEFASILS (Seismic Exploration of Faults And Structures In the Ligurian Sea) cruise, carried out in autumn 2018 on board the R/V Pourquoi Pas?. This mobilized modern marine geophysical equipment on a 150 km transect crossing the margin and the basin, with a 6 km-long streamer, as well as a dense network of 36 OBS complemented by 4 onshore stations. The acquisitions carried out resumed deep investigations in the Ligurian Sea, the last penetrating seismic reflection surveys (MALIS and LISA cruises) and wide-angle seismic surveys (GROSMarin cruise) dating back to 1995 and 2008 respectively. The high thickness of Messinian evaporitic deposits remains a challenge to deep structural imaging, but the joint exploitation of the two types of seismic data acquired, as well as gravity data, has allowed major advances in the characterization of the various natures of the basement. The methodologies used included time and pre-stack depth migrations, travel time tomography of refracted and Moho-reflected arrivals, and modeling of the free air anomaly.The interpretation of the results thus obtained highlights a sedimentary filling of about 7 km. Above all, it allows us to distinguish four different structural domains from the margin to the deep basin: (1) the necking of the continental crust of the North Ligurian margin, (2) a hyper-thinned continental domain, (3) an exhumed mantle domain of about 30 km extent and finally (4) a domain interpreted as oceanic crust formed in a slow accretionary regime, implying an important part of tectonic extension but also a mafic component.To explain the geometry of the mantle roof beneath the sediments, we propose two concave downward detachment structures with opposite dips, allowing its exhumation (1) at the foot of the margin, during rifting, and (2) during oceanic expansion, through what is interpreted as an oceanic core complex, probably located close to the spreading paleocenter.Analysis of long-wavelength gravity anomalies allows us to extrapolate these interpretations to the southern part of the basin, where the basement also appears to consist of predominantly exhumed mantle with little or no alteration. Interpretation of the pre-stack depth migration results clarifies the characteristics of the sedimentary filling and supports the hypothesis of the emplacement of rift structures related to a significant component of ductile deformation in the hyper-thinned crust.The regional seismicity of the Ligurian Basin shows low to moderate magnitude earthquakes, with focal mechanisms indicating a compressive regime. The structures highlighted in this work could constitute zones of weakness that would localize the seismicity, especially the two detachments. The seismicity combined with the distribution of crustal domains throughout the Ligurian Basin suggests the existence of two major transfer faults bordering the domain of exhumed mantle to the north as well as to the south.Le bassin Ligure, à la jonction entre la Méditerranée Occidentale et la chaîne Alpine, s'est ouvert en extension arrière-arc entre l'Oligocène et le Miocène sous l'effet du retrait de la plaque africaine en subduction sous l'Eurasie. Cet épisode a créé des structures complexes dans une lithosphère déjà hétérogène. Le bassin et sa marge nord sont actuellement repris en compression, ce dont témoignent une faible convergence mesurée par le GPS et l'analyse de la sismicité. Des éléments morpho-structuraux indiquent que cette tendance est initiée depuis le Pliocène.L'objet de cette thèse a été d'explorer la structure profonde du bassin Ligure et de sa marge Nord afin d'en préciser les modalités de formation. Le travail a reposé sur l'exploitation des données de la campagne SEFASILS (Seismic Exploration of Faults And Structures In the Ligurian Sea), réalisée à l'automne 2018 à bord du N/O Pourquoi Pas ?. Celle-ci a mobilisé des moyens modernes de géophysique marine sur un transect de 150 km recoupant la marge et le bassin, avec un streamer sismique couvrant les offsets jusqu'à 6 km, ainsi qu'un réseau dense de 36 sismomètres de fond de mer complété de 4 stations à terre. Les acquisitions réalisées ont marqué une reprise des investigations profondes en Mer Ligure, les derniers levés en sismique réflexion pénétrante (campagnes MALIS et LISA) et en sismique grand-angle (campagne GROSMarin) datant de 1995 et 2008 respectivement. La forte épaisseur de dépôts évaporitiques Messiniens reste un défi à l'observation structurale profonde mais l'exploitation conjointe des deux types de données sismiques acquises, ainsi que celle de données gravimétriques, a permis des avancées majeures dans la caractérisation des natures de socle. Les méthodologies utilisées ont inclus l'imagerie sismique réflexion temps et profondeur avant sommation, la tomographie des temps d'arrivées réfractées et réfléchies au Moho et la modélisation de l'anomalie à l'air libre.L'interprétation des résultats ainsi obtenus met en évidence un remplissage sédimentaire de de 7 km environ. Elle permet surtout de distinguer quatre différents domaines structuraux de la marge vers le bassin profond : (1) le necking de la croûte continentale de la marge Nord Ligure, (2) un domaine continental hyper aminci, (3) un domaine de manteau exhumé d'une trentaine de km et enfin (4) un domaine interprété comme de la croûte océanique formée en régime d'accrétion lente, impliquant une part importante d'extension tectonique mais également une composante mafique.Pour expliquer la géométrie du toit du manteau sous les sédiments, nous proposons deux structures de détachement concaves vers le bas, à vergences opposées, permettant son exhumation (1) au pied de la marge, lors du rifting, et (2) pendant l'expansion océanique, au travers de ce qui est interprété comme un oceanic core complex, probablement situé à proximité du paléo-centre d'accrétion.L'analyse des anomalies gravimétriques de grande longueur d'onde permet d'extrapoler ces interprétations à la partie sud du bassin, le socle de cette dernière étant semblant aussi majoritairement constitué de manteau exhumé peu ou pas altéré. L'interprétation des résultats de migration profondeur avant sommation précise les caractéristiques du remplissage sédimentaire et appuie l'hypothèse d'une mise en place des structures du rift liées à une composante notable de déformation ductile dans la croûte hyper amincie.La sismicité régionale du bassin Ligure présente des séismes de magnitudes faibles à modérées, avec des mécanismes focaux indiquant un régime compressif. Les structures mises en évidence dans ce travail pourraient constituer des zones de faiblesse qui localiseraient la sismicité, notamment les deux détachements. La sismicité combinée à la répartition des domaines crustaux dans l'ensemble du bassin Ligure permet de supposer l'existence de deux failles de transfert importantes bordant le domaine de manteau exhumé au nord comme au sud