SEISMARMARA

Name: SEISMARMARA
Start: 2001-08-11
End: 2001-09-09
Location: Mer de Marmara

Type	Campagne océanographique
Navire	Le Nadir
Propriétaire navire	Ifremer
Dates	11/08/2001 - 09/09/2001
Chef(s) de mission	HIRN Alfred, SINGH Satish , TAYMAZ Tuncay
	INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS - UMR 7154, UMS 3454 1 rue Jussieu 75005 Paris +33 (0)1 83 95 74 00 https://www.ipgp.fr/
DOI	10.17600/1080050
Objectif	La campagne SEISMARMARA s'inscrit dans le cadre du programme de recherche Franco-Turc sur le risque sismique dans la région d'Istanbul et de la mer de Marmara, en réponse aux deux tremblements de terre meurtriers qui se sont produits en 1999 sur la Faille Nord-Anatolienne sur les abords de la Mer de Marmara. Cette faille se prolonge en mer par un système complexe de failles qui contrôlent l'évolution de la Mer de Marmara. La campagne SEISMARMARA a pour objectif principal de contraindre la structure de ce système de failles jusqu'aux profondeurs ou nucléent les grands séismes. Ces structures étant sous-marines et n'ayant pas rompu depuis le dix-huitième siècle, elles n'ont pu être étudiées avec les moyens habituels. Pour l'étude de la structure profonde, on a adapté d'une part la méthode de sismique réflexion multitraces (SMT) à la grande pénétration par la mise au point de sources puissantes "monobulle" et la méthode de sismique réfraction à partir de la même source enregistrée par des capteurs à terre, et 37 capteurs OBS au fond de la mer disposés à l'avance par un navire Turc, le MTA Sismik-1. On leur a adjoint d'autre part des méthodes complémentaires, telle la tomographie fondée sur les séismes eux-mêmes enregistres par ces capteurs OBS au fond de la mer, et les capteurs à terre. L'observation des séismes de la région, fondamentalement améliorée par un réseau temporairement étendu en mer par des OBS et densifie à terre, fournira une référence, qui avec la connaissance du modèle structural permettra d'améliorer la précision des observations de séismes à venir. La campagne s'est déroulée en deux legs de même durée. Le Leg 1 de reconnaissance de la structure et de l'activité à l'échelle de l'ensemble de la Mer de Marmara a consisté en un maillage multidirectionnel de profils interconnectés, totalisant 2000 km de tirs, dont la moitié tiré avec la plus grosse source possible par le N/O Nadir (8000 c.i.). Le Leg 2 (chef de mission Satish Singh) a été consacré à une approche détaillée, pseudo 3D du bassin de Cinarcik, celui des trois bassins profond en bout de la rupture des séismes de 1999, par la réalisation d'un grand nombre de transects serrés. Chacun de ces deux legs est l'objet principal d'une des deux thèses de doctorat de l'IPG Paris, Anne Bécel et Hélène Carton qui ont été soutenues en 2006 et d'une troisième, de Gaye Bayrakci, soutenue en 2009.

Contexte scientifique et programmatique des campagnes

Résultats majeurs

1. Un ensemble de 45 profils de sismique réflexion SMT traversant tout le fossé Nord Marmara sous différents azimuts révèle, par sa pénétration sans précédent, des structures sismiques depuis la surface jusqu'à la base de la croûte. Des traitements visant à atténuer les multiples du fond de l'eau, la déconvolution prédictive pour une image plus piquée des réflecteurs, et des migrations post-stacks (temps et profondeur) ont été réalisés.
On image ainsi des sédiment syn-tectoniques de la formation des 3 bassins marins profonds, Bassin de Cinarcik, Bassin Central, Bassin de Tekirdag d'Est en Ouest. Ce remplissage des bassins marins profonds est ainsi révélé atteindre plus de 6km de profondeur alors qu'il n'avait été précédemment imagé que jusqu'à 3 km de profondeur à cause des flûtes plus courtes et sources plus faibles ne permettant pas de pénétrer au-delà du premier multiple du fond de la mer. La source met aussi en lumière une stratification pouvant être corrélée à l'échelle du bassin.
La sismique-réfraction enregistrées par les 37 OBS a été interprétée et modélisée sur plusieurs profils, longitudinaux et transverses. Pour ceci les informations issues des vitesses de migration de la SMT sont utilisées pour établir un modèle a priori du milieu superficiel. Les OBS, permettent alors de modéliser la topographie du toit du socle cristallin à partir des temps de trajet des ondes qui s'y sont réfractées et qui sont observés en première arrivée sur les enregistrements pour des déports allant de 5-10 km à 100 km. Une approche par tomographie 3D permet d'esquisser la structure des bassins et de la croûte supérieure en volume, à partir des tirs sur la grille de profils.
Malgré les conditions adverses d'imagerie de structures profondes sous des bassins profonds des réflexions pentées réelles sur les profils transects révèlent des structures inattendues tel un détachement, particulièrement bien exprimé sur la partie ouest de la marge Sud, et qui s'enracine sous le bassin dans la croûte profonde réflective. Des blocs crustaux basculés reposent sur ces détachements, et vont en s'approfondissant vers le Nord-Est.

2. La croûte profonde réflective, dont la base est interprétée comme le Moho, a pu être imagée par la SMT en dehors des zones internes de bassins profonds. Les variations de sa topographie et de son épaisseur, qui permettent par conséquent de suivre les variations topographiques du Moho, marqueur de la déformation lithosphérique, sont vérifiées par les résultats de la sismique réfraction. Elles suggèrent par exemple un Moho moins profond à l'Est vers l'intérieur du fossé Nord Marmara qu'à l'Ouest que l'on pourrait relier à un amincissement ou déformation finie en relation avec l'évolution de la propagation de la FNA. Les données obtenues en réfraction sur certaines stations à terre jusqu'à des distances de 200 km permettent d'identifier le Moho sous les bassins par l'enregistrement de l'onde Pn qui en est la marque.

3. Des traitements avancés de sismique réflexion par migration profondeur avant sommation ont été réalisés à l'IFM-GEOMAR Kiel dans le cadre d'une infrastructure européenne. Dans la région du Bassin Central et celui dans la région du Bassin de Kumburgaz ils permettent de résoudre plus finement la réflectivité sédimentaire sur une épaisseur totale de 5 km et d'identifier les marqueurs décalés par des failles transtensives qui ont contrôlé ce remplissage très important du Bassin Central. Ces profils révèlent l'existence d'une faille dont la structure en fleur ne marque pas la bathymétrie bien qu'affleurant mais qui décale fortement le socle correspond probablement à la faille bordière Sud du bassin Central qui a participé à sa formation en pull-apart. Le troisième profil à travers le petit bassin de Kumburgaz apporte aussi de nouveaux éléments sur l'architecture complexe de la FNA sur son bord Nord.

4. Le dépouillement des enregistrements continus sur les OBSs, a révélé que le nombre de séismes localisés à partir du réseau dense et rapproché qu'ils forment est supérieur de plus d'un ordre de grandeur à ceux localisés par les réseaux permanents, en raison des grandes distances épicentrales pour ces stations. Pour les localisations préliminaires, les temps de trajet de l'hétérogénéité supra-crustale présente sous les OBSs telle qu'on peut les déduire de la SMT ont permis de compenser les temps d'arrivée observés. La particularité des OBS d'être à 3-composantes permet la mesure fiable des ondes S en plus des P, ce qui fournit une forte contrainte sur la détermination des profondeurs des séismes. Une localisation, conjointe avec la détermination des d'un modèle 3D de vitesse détermination est mise à jour au fur et à mesure de l'avancement dans la connaissance de la structure superficielle à partir de la SMT et de la réfraction.
Une image affinée de l'hétérogénéité de la croûte supérieure qui est la couche sismogénique, de la distribution des accidents structuraux qui l'affectent et de son activité courante est ainsi obtenue, permettant de prolonger vers le bas la discussion de la Faille Nord Anatolienne par rapport aux indices de sa localisation au fond de la mer révélés précédemment par la bathymétrie multi-faisceaux issue de la campagne Marmara 2000 du N/O SUROIT

Données archivées au Sismer

Bibliographie

Publications

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Géli Louis , Henry Pierre, Çağatay M. Namik (2021). A review of 20 years (1999–2019) of Turkish–French collaboration in marine geoscience research in the Sea of Marmara. Mediterranean Geoscience Reviews, 3, 3-27. https://doi.org/10.1007/s42990-021-00055-8

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Tarancioğlu Adil, Özalaybey Serdar, Kocaoğlu Argun H (2020). Three-dimensional seismic tomographic imaging beneath the Sea of Marmara: Evidence for locked and creeping sections of the Main Marmara Fault. Geophysical Journal International, 223(2), 1172-1187. https://doi.org/10.1093/gji/ggaa389

Gholamrezaie Ershad, Scheck-Wenderoth Magdalena, Bott Judith, Heidbach Oliver, Strecker Manfred R. (2019). 3-D crustal density model of the Sea of Marmara. Solid Earth, 10(3), 785-807. Publisher's official version : https://doi.org/10.5194/se-10-785-2019 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00502/61386/

Batsi Evangelia, Lomax Anthony, Tary Jean-Baptiste, Klingelhoefer Frauke , Riboulot Vincent , Murphy Shane , Monna Stephen, Ozel Nurcan Meral, Kalafat Dogan, Saritas Hakan, Cifci Gunay, Cagatay Namik, Gasperini Luca, Geli Louis (2018). An Alternative View of the Microseismicity along the Western Main Marmara Fault. Bulletin Of The Seismological Society Of America, 108(5A), 2650-2674. Publisher's official version : https://doi.org/10.1785/0120170258 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00453/56416/

Geli Louis , Henry P., Grall Celine, Tary Jean-Baptiste, Lomax A., Batsi Evangelia, Riboulot Vincent , Cros Estelle, Gurbuz C., Isik S. E., Sengor A. M. C., Le Pichon X., Ruffine Livio , Dupre Stephanie , Thomas Yannick, Kalafat D., Bayrakci G., Coutellier Q., Regnier Thibaut, Westbrook Graham, Saritas H., Cifci G., Cagatay M. N., Ozeren M. S., Gorur N., Tryon M., Bohnhoff M., Gasperini L., Klingelhoefer Frauke , Scalabrin Carla , Augustin Jean-Marie, Embriaco D., Marinaro G., Frugoni F., Monna S., Etiope G., Favali P., Becel A. (2018). Gas and seismicity within the Istanbul seismic gap. Scientific Reports, 8(1), 6819 (11p.). Publisher's official version : https://doi.org/10.1038/s41598-018-23536-7 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00439/55072/

Bayrakci Gaye, Laigle Mireille, Becel A., Hirn A., Taymaz T., Yolsal-Cevikbilen S. (2013). 3-D sediment-basement tomography of the Northern Marmara trough by a dense OBS network at the nodes of a grid of controlled source profiles along the North Anatolian fault. Geophysical Journal International, 194(3), 1335-1357. Publisher's official version : https://doi.org/10.1093/gji/ggt211 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00185/29601/

Hergert Tobias, Heidbach Oliver, Becel Anne, Laigle Mireille (2011). Geomechanical model of the Marmara Sea region-I. 3-D contemporary kinematics. Geophysical Journal International, 185(3), 1073-1089. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2011.04991.x

Becel Anne, Laigle Mireille, de Voogd Beatrice, Hirn Alfred, Taymaz Tuncay, Yolsal-Cevikbilen Seda, Shimamura H. (2010). North Marmara Trough architecture of basin infill, basement and faults, from PSDM reflection and OBS refraction seismics. Tectonophysics, 490(1-2), 1-14. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2010.04.004

Becel Anne, Laigle Mireille, de Voogd Beatrice, Hirn Alfred, Taymaz Tuncay, Galve Audrey, Shimamura Hideki, Murai Yoshio, Lepine Jean-Claude, Sapin Martine, Ozalaybey Serdar (2009). Moho, crustal architecture and deep deformation under the North Marmara Trough, from the SEISMARMARA Leg 1 offshore-onshore reflection-refraction survey. Tectonophysics, 467(1-4), 1-21. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2008.10.022

Geli Louis , Henry P, Zitter T, Dupre Stephanie , Tryon M, Cagatay M, de Lepinay B, Le Pichon X, Sengor A, Gorur N, Natalin B, Ucarkus G, Oezeren S, Volker D, Gasperini L, Burnard P, Bourlange S (2008). Gas emissions and active tectonics within the submerged section of the North Anatolian Fault zone in the Sea of Marmara. Earth and Planetary Science Letters, 274(1-2), 34-39. Publisher's official version : https://doi.org/10.1016/j.epsl.2008.06.047 , Open Access version : https://archimer.ifremer.fr/doc/00000/4681/

Laigle Mireille, Becel Anne, de Voogd Beatrice, Hirn Alfred, Taymaz Tuncay, Ozalaybey Serdar (2008). A first deep seismic survey in the Sea of Marmara: Deep basins and whole crust architecture and evolution. Earth And Planetary Science Letters, 270(3-4), 168-179. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2008.02.031

Carton H., Singh S.C., Hirn A., Bazin S., de Voogd B., Vigner A., Ricolleau A., Cetin S., Ocakoglu N., Karakoc F., Sevilgen V. (2007). Seismic imaging of the three-dimensional architecture of the Cinarcik Basin along the North Anatolian Fault. Journal Of Geophysical Research-solid Earth, 112(B6101), 1-17. https://doi.org/10.1029/2006JB004548

Références des rapports techniques

Gürbüz Cemil, Isik Sezim Ezgi, Geli Louis , Cros Estelle (2013). High Resolution Micro Earthquake Characterization, Deliverable D8_2, EU MARSITE PROJECT (New Directions in Seismic Hazard Assessment through Focused Earth Observation in the Marmara Supersite). https://archimer.ifremer.fr/doc/00278/38915/

Cros Estelle, Geli Louis (2013). Caracterisation of microseimicity in the Western Sea of Marmara: implications in terms of seismic monitoring. Compte-rendu de fin de projet, Abondement 2011, 06/11/2013. https://doi.org/10.13155/38916

Références des communications dans des colloques internationaux

Anne Bécel, Mireille Laigle, Alfred Hirn, Gaye Bayrakç?, Tuncay Taymaz, Seda Yolsal-Çevikbilen, and SEISMARMARA LEG-1 Team. Seismic structure from sea-bottom to mantle top of the Sea of Marmara on the North Anatolian fault (NW Turkey) (invited presentation). EGU Meeting, Vienna 2010.

Bayrakci, G., Laigle, M., Hirn, A., Taymaz, T., and Yolsal-Cevikbilen, S., 2010. 3D Vp heterogeneity beneath the Marmara Sea: shot tomography on a 2D OBS array. EGU Meeting, Vienna 2010.

Bayrakci, G., Laigle, M., Bécel, A., Sapin, M., Shimamura, H., Murai, Y., Taymaz, T. Ozalaybey, S. (2008) Approach to the complex 3D upper-crustal seismic structure by artificial sources tomography on a grid of OBS in the Sea of Marmara, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria. Oral Presentation.

Bécel, A.; Laigle, M.; The SEISMARMARA Leg 1 Team (2008). Deep basins, crustal architecture, Moho, and deep deformation under the North Marmara Trough, from the Seismarmara Leg 1 MCS and refraction seismic survey (2008). Geophysical Research Abstracts, Vol. 10., EGU2008-A-09102, EGS General Assembly, Vienna, Austria. Oral Presentation.

Hergert T., Heidbach O., Bécel A., Hirn A. (2008). 4D stress and strain field of the Marmara Sea from numerical modelling. Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, EGU2008-A-09165, EGS General Assembly, Vienne, Autriche. Oral Presentation.

Becel, A., Charvis P., De Voogd, B., Galve, A., Hirn, A., Laigle, M., Lépine J. ?C., Murai, Y., Ozalaybey, S., Sapin, M., Shimamura, H., Singh, S., Taymaz, T. Seismic Structure and Activity of the North Anatolian Fault in the Sea of Marmara from the SEISMARMARA Leg1 Seismic Survey. AGU Fall Meeting San Francisco 2004.

Bécel, A., Shimamura, H, Lépine, J.-C., Taymaz, T., Murai, Y., Charvis, P., Nishimura, Y., Yamada, A., Ozalaybey, S., Tan, O., Yolsal, S., Laigle, M., Hirn, A., Singh, S., Géli, L., and Karabulut, H. "Refraction and wide-angle reflection, examples of OBS velocity and depth-prolongation of vertical-reflection in Seismarmara". EGS-AGU-EUG joint Assembly, Nice 2003.

Cetin, S., de Voogd, B., Carton, H., Laigle, M., Bécel, A., Saatcilar, R., Singh, S., and Hirn, A. "Seismarmara experiment: results from reprocessing of selected multi-channel reflection profiles". EGS-AGU-EUG joint Assembly, Nice 2003.

Hirn, A., Singh, S., Saatcilar, R., Laigle, M., de Voogd, B., Taymaz, T., Ozalaybey, S., Cetin, S., Bécel, A., Vigner, A., Carton, H., Shimamura, H., Lépine, J.-C., Sapin, M., Charvis, P., Karabulut, H. and Géli,L. "Elements of structure at crustal scale under the Sea of Marmara from multichannel seismics of the SEISMARMARA survey". EGS-AGU-EUG joint Assembly, Nice 2003.

Saatcilar, R., Hirn, A., (2) , Singh, S., Cetin, S. Ozalaybey, S., Laigle, M., Karabulut, H.. de Voogd, B, Bécel, A., Vigner, A. Carton, H., Lépine, J.-C., Sapin, M., Charvis, P., and Géli, L. "A Marine Deep Multi-channel Seismic Survey in the Sea of Marmara:SEISMARMARA Project". EGS-AGU-EUG joint Assembly, Nice 2003.

Hirn, A., Singh, S., Saatcilar, R., Laigle, M., De Voogd, B., Vigner, A., Taymaz, T., Ozalabey, S., Imren, C., Bazin, S., Charvis, P., Géli, L., Klien, E, "Reflection-seismic images and evolution at the scale of the crust and active faults of the Sea of Marmara trough (SEISMARMARA 2001)", EGS European Geophysical Society 27th General Assembly, Nice 2002.

A. Hirn, S. Singh, P. Charvis, L. Géli, M. Laigle, et collègues. "SEISMARMARA 2001: a marine seismic survey and offshore?onshore artificial source and natural earthquakes in the seismogenic region of the Sea of Marmara". EGS European Geophysical Society 27th General Assembly, Nice 2002.

Thèses ayant utilisé les données de la campagne

Kende Julia (2018). Tectonics and hydrology of the Sea of Marmara : History of Sea of Marmara opening and reconstruction of the hydrologic response to climate variations since the last interglacial. PhD Thesis, Université d'Aix Marseille.

Bayrakci, Gaye. Hétérogénéité 3D de la croûte supérieure sous la Mer de Marmara : tomographie sur une grille de sismomètres fond de mer et de profils de tirs. Thèse IPG Paris, soutenue le 2 Octobre 2009.

Bécel, Anne. Structure sismique de la Faille Nord-Anatolienne en Mer de Marmara. Thèse IPGParis, soutenue le 29 Septembre 2006.

Carton, Hélène. Thèse IPGParis soutenue 2006.