L’origine des éléments volatils, éléments avec des températures de condensation très basses comme l’eau, l’azote, le carbone et les gaz rares, sur Terre et sur les autres planètes telluriques reste mal comprise. Comprendre comment ces éléments sont arrivés sur Terre permettra de mieux appréhender les mécanismes de formation du système solaire. De par leur caractère inerte, les gaz rares (He, Ne, Ar, Kr, Xe) constituent des traceurs uniques des sources d’éléments volatils. L’étude de la composition en gaz rares du manteau terrestre s’avère donc essentielle afin de déterminer l’origine de ces éléments. L’objectif de ces travaux était de mesurer précisément la composition des isotopes stables et non-radiogéniques des gaz rares dans le manteau à partir de verres basaltiques. Ces derniers étant très souvent contaminés par l’air, des techniques d’analyse des gaz rares ont été mises en place pour s’affranchir de cette contamination. Des échantillons du volcan Fernandina du point chaud des Galápagos ont été étudiés par ablation laser. Les résultats montrent que le rapport 20Ne/22Ne des bulles est en moyenne de 12,65 ± 0,04 (1σ), ce qui est proche de la valeur estimée pour le pôle d’implantation du vent solaire (~ 12,7). Cette étude suggère donc que l’implantation du vent solaire sur les grains précurseurs de la Terre serait à l’origine des éléments volatils légers du manteau.Des données d’échantillons de popping rocks, aussi analysés par cette technique, indiquent que le manteau supérieur est hétérogène à petite échelle et pourraient impliquer le recyclage de gaz rares dans le manteau, y compris He, Ne, lors de la subduction. Un nouveau protocole d’analyse du Kr et Xe a été développé. Les résultats montrent les plus forts excès en 124Xe, 126Xe et 128Xe mesurés pour le manteau et suggèrent une source chondritique. Les isotopes fissiogéniques du xénon ont permis de dater le début du recyclage des éléments volatils dans le manteau aux alentours de 3 Ga. / The origin of volatiles, elements with low condensation temperatures such as water, nitrogen, carbon and noble gases, on Earth and other terrestrial planets is still misunderstood. Determining how these elements were delivered to the Earth will allow a better understanding of the processes of solar system formation. Due to their inertness, noble gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe) constitute unique tracers of volatiles sources. Studying the noble gas composition of the Earth’s mantle is hence critical to unravel volatile origin. The aim of this PhD was to measure precisely the composition of non-radiogenic, stable noble gas isotopes in the mantle from basaltic glasses. The latter being very often contaminated by air, analytical techniques were thus set up to overcome this contamination.Samples from Fernandina volcano from the Galápagos hotspot were studied with laser ablation. The results show that the mean 20Ne/22Ne ratio in the vesicles is 12.65 ± 0.04 (1σ), close to the estimated value of the solar wind implanted end-member (~ 12,7). This study suggests that light volatiles in the mantle would originate from implantation of solar wind on the Earth’s precursors grains. Data from popping rock samples, also analyzed with this technique, indicate that the upper mantle is heterogeneous at small scale and that noble gases, included He, Ne, could be recycled into the mantle in subduction zones. A new protocol to analyse Kr and Xe was set up. The results show the highest measured excess in 124Xe, 126Xe and 128Xe for the mantle and suggest a chondritic source. The xenon fissiogenic isotopes allowed us to constrain the onset of volatile recycling in the mantle to around 3 Ga.

La présence de magmas en profondeur permet de contraindre des processus géologiques passés et actuels. Ces magmas (i.e. liquides silicatés) participent aux cycles géochimiques des éléments volatils comme vecteur de matière.Nous étudions deux éléments volatils complémentaires : l'iode (I), un halogène, et le xénon (Xe), un gaz rare. Leur système radioactif éteint 129I/129Xe (T1/2 = 15.7Ma) est utilisé pour dater les processus hadéens et la formation de l'atmosphère, issu de l'évolution d'un océan magmatique. Or on connait peu le comportement de l'iode et du xénon dans les magmas en profondeur à haute pression et température.Notre protocole expérimental vise l'étude de l'incorporation de l'iode et du xénon et de leur solubilité dans les magmas. Pour étudier l'incorporation, la structure des silicates liquides a été caractérisée par diffraction de rayons X avec des expériences in situ réalisées dans des cellules à enclumes de diamant et dans des presses Paris-Édimbourg. Les teneurs de solubilité de l'iode et du xénon ainsi que l'eau ont été mesurés par les méthodes PIXE et ERDA.À hautes pressions, l'iode possède une forte solubilité (quelques %pds) dans les magmas. Les résultats préliminaires sur son incorporation dans du basalte montrent que l'iode ne formerait pas des liaisons covalentes. À haute pression et température (T>300°C - P>1GPa), le xénon forme une liaison covalente Xe-O avec les oxygènes des anneaux de 6 tétraèdres SiO44-. Le xénon a une solubilité élevée dans les magmas (4pds% - 1600°C - 3.5GPa).Les modèles de datation et des cycles géochimiques de l'iode et du xénon doivent être revus en tenant compte de leur comportement différentiel dans les magmas. / The presence of magmas at depth helps to constrain past and actual geological processes. Magmas (i.e. silicate melts) participate in geochemical cycles of volatile elements, as vectors of chemical transfers. We study two complementary volatile elements: iodine (I), a halogen, and xenon (Xe), a noble gas. Their extinct 129I/129Xe isotopic system (half-life of 15.7Ma) is used to date Hadean processes and Earth’s atmosphere formation since the atmosphere originated from the Magma Ocean’s evolution. However, little is known about the behavior of both iodine and xenon in silicate melts at depth, under HT and HP conditions. Our experimental protocol aims at elucidating the incorporation process of xenon and iodine in silicate melts, and their solubility. To understand the incorporation of iodine and xenon in magmas, the structure of silicate melts was investigated by in situ diamond anvil cells and Paris-Edinburgh press experiments coupled with X-ray diffraction characterization. Iodine and xenon’s solubility, along with water content are obtained by PIXE and ERDA methods using a nuclear microprobe. At high pressure, iodine has a high solubility (about few wt.%) in magmas. Preliminary results on iodine incorporation in basaltic melt show an absence of covalent bond. At high pressure and temperature conditions (T>300°C – P>1GPa), xenon forms a Xe-O covalent bond with the oxygens of the 6-membered-rings of the melt network. Its solubility in silicate melts is also high (about 4wt.% in haplogranite melts at 1600°C and 3.5GPa). Considering the xenon and iodine differential behavior in melts at depth, a revision of dating models in xenon and iodine cycles must be considered.

Les laves alcalines sous-saturées riches en éléments volatils sont les marqueurs du rôle important des fluides dans le manteau et des interactions fluide-roche et magma-roche, processus clés pour comprendre la dynamique du manteau convectif et les interactions asthénosphère-lithosphère en domaine intracontinental. L’objectif de cette thèse est d’apporter de nouvelles contraintes sur la genèse des magmas alcalins en caractérisant les conditions de cristallisation, la source et les processus de fusion partielle à l’origine des néphélinites à olivine, des néphélinites à pyroxène et des basanites du champ volcanique du Jbel Saghro dans l’Anti-Atlas marocain. L’étude pétrologique et géochimique des roches et des minéraux, couplée à l’analyse des inclusions fluides a permis de contraindre les conditions pré-éruptives des néphélinites de Saghro à 1.7–2.2 GPa et ~1350 °C. Les minéraux montrent que les magmas néphélinitiques sont riches en éléments volatils (Cl, F, S), et les inclusions fluides indiquent que les magmas étaient saturés en fluide riche en CO2 à des pressions > 590 MPa. Les différents assemblages minéralogiques des néphélinites et la présence de xénolites péridotitiques suggèrent une ascension rapide des néphélinites à olivine et des processus plus complexes en profondeur pour les néphélinites à pyroxène. La modélisation des processus de cristallisation fractionnée et de fusion partielle des laves mafiques de Saghro a permis de déterminer qu’elles sont issues de faibles taux de fusion partielle (0.6–2.5 %) d’une péridotite carbonatée enrichie en éléments incompatibles, au niveau de la transition grenat–spinelle (~80–85 km) et en présence d’amphibole. Les néphélinites de Saghro montrent une évolution temporelle avec une légère augmentation du taux de fusion et une diminution de la quantité d’amphibole au résidu des plus anciennes (néphélinites à olivine, 9.6 Ma) aux plus récentes (néphélinites à pyroxène, 2.9 Ma). Les basanites forment un système indépendant des néphélinites et sont issues de taux de fusion plus élevés. Les fortes variations dans leur composition chimique suggèrent qu’elles ont subi de la cristallisation fractionnée lors de leur ascension. Les caractéristiques particulières des néphélinites et basanites de Saghro (enrichissement en éléments incompatibles, anomalies négatives en K, Zr, Hf et Ti, rapports Ca/Al et Zr/Hf élevés) indiquent que leur source a subi un métasomatisme principalement carbonatitique. L’influence de ce métasomatisme est plus forte pour les néphélinites à pyroxène que pour les néphélinites à olivine, impliquant une évolution temporelle de l’intensité du métasomatisme. Ces résultats suggèrent des interactions fluide-roche sous le craton Nord-Ouest Africain, entraînant la formation d'un manteau métasomatisé par des composants carbonatitiques riches en CO2 au niveau de la transition lithosphère-asthénosphère. L’origine du métasomatisme provoquant l’enrichissement de la source et la formation de veines d’amphibole pourrait être liée à la fusion de reliquats de croûte océanique subductée. Les températures de fusion relativement faibles (< 1350 °C) suggèrent l’absence d’anomalie thermique sous le Jbel Saghro, et favorisent donc un modèle de délamination de la lithosphère comme initiateur du volcanisme. Cependant, l’augmentation du taux de fusion partielle au cours du temps, également observée dans le Moyen Atlas, et les similitudes isotopiques et géochimiques avec les laves alcalines des îles Canaries ne permettent pas d’exclure une influence du panache des Canaries sur la source du volcanisme alcalin du Jbel Saghro. / Volatile-rich, silica-undersaturated alkaline lavas record the important role of fluids during fluid-rock and magma-rock interactions in the mantle, which are key processes to understand the dynamics of the convective mantle and lithosphere-asthenosphere interactions in intracontinental settings. The aim of this thesis is to bring new constraints on the genesis of alkaline magmas by characterizing the crystallization conditions, the source and the partial melting processes taking part in the genesis of olivine nephelinites, pyroxene nephelinites and basanites from the Jbel Saghro volcanic field in the Moroccan Anti Atlas. The petrological and geochemical study of rocks and minerals coupled with the analysis of fluid inclusions constrains the pre-eruptive conditions of Saghro nephelinites to 1.7–2.2 GPa and ~1350 °C. Minerals show that nephelinitic magmas are rich in volatile elements (Cl, F, S), and fluid inclusions indicate that magmas were saturated with a CO2-rich fluid at pressures > 590 MPa. The various mineralogical assemblages and the presence of peridotite xenoliths suggest a rapid ascent for olivine nephelinites and more complex processes at depth for pyroxene nephelinites. Fractional crystallization and partial melting modelling of Saghro mafic lavas indicate that they are low-degree melts (0.6–2.5 %) of an amphibole-bearing carbonated peridotite enriched in incompatible elements, at the garnet-spinel transition (~80–85 km). Saghro nephelinites display a temporal evolution with a slight increase of the degree of melting and a decrease of the amount of residual amphibole from the oldest (olivine nephelinites, 9.6 Ma) to the most recent (pyroxene nephelinites, 2.9 Ma). Basanites form a system that is independent from nephelinites and are slightly higher-degree melts. Important variations in their chemical composition suggest variable amounts of fractional crystallization during ascent. The peculiar characteristics of Saghro nephelinites and basanites (enrichment in incompatible elements, negative anomalies in K, Zr, Hf and Ti, high Ca/Al and Zr/Hf ratios) indicate that their source was affected by carbonatitic metasomatism. The influence of this metasomatism is stronger for pyroxene nephelinites than for olivine nephelinites. These results suggest fluid-rock interactions beneath the Northwest African Craton, leading to the formation of a metasomatized mantle by CO2-rich carbonatitic components at the lithosphere-asthenosphere transition. The origin of the metasomatism inducing source enrichment and the formation of amphibole veins could be attributed to the melting of relict subducted oce anic lithosphere. The relatively low melting temperatures (< 1350 °C) suggest the absence of a thermal anomaly beneath the Jbel Saghro, and thus support a lithosphere delamination model as precursor of Saghro volca0,3nism. However, the increasing degree of partial melting over time, also observed in the Middle Atlas, together with the isotopic and geochemical similarities with Canary Islands alkaline lavas does not allow us to discard the influence of a deviation of the Canary mantle plume beneath northwest Africa.

Dans l’objectif d’évaluer le devenir de sédiments subduits variablement enrichis en soufre dans des conditions P-T (pression – température) correspondant au toit de la plaque sous un arc volcanique, des expériences de fusion et de cristallisation ont été réalisées en conditions hydratées en presse piston-cylindre(3 GPa ; 650 – 1000°C ; ƒO2 ~ NNO) sur des sédiments naturels (pélite et marne), non dopés en éléments en traces et variablement enrichis en soufre (0, 1 et 2 wt% Sin). Lors de la fusion du sédiment pélitique, des liquides trondhjémitiques à granitiques sont produits en équilibre avec un résidu composé de grenat +disthène ± phengite ± quartz + rutile. Lors de la fusion du sédiment marneux, des liquides granodioritiques sont produits en équilibre avec un résidu constitué de grenat ± épidote ± clinopyroxène ± disthène ± quartz +rutile. L’ajout de soufre dans le système pour une ƒO2 ~ NNO conduit à une précipitation de sulfures. La quantité de fer (Fe2+) disponible dans le système diminue fortement (augmentation du Mg#) et impactegrandement les relations de phases : le grenat, l’épidote et la phengite sont déstabilisées au profit des pyroxènes, de la biotite ou encore de l’amphibole. La distribution des éléments en traces dans le liquide silicaté par rapport au sédiment de départ est également très affectée pour les systèmes dopés en soufre(ex : fractionnement des terres rares). Nous proposons, à partir des données obtenues dans des xénolites mantelliques (Grenade, Petites Antilles) et lors de modélisations géochimiques, que la contribution dans lecoin mantellique de 1 à 3 % de liquides trondhjémitiques/granitiques issus de la fusion de sédiments pélitiques modérément enrichis en soufre (≤ 1 wt% Sin) peut expliquer la variabilité de composition des basaltes du sud de l’arc des Petites Antilles (Grenade et Grenadines). / The main issue of this study is to constrain the fate of subducted sediments variably enriched in sulphur for P-T (pressure – temperature) relevant for the slab at sub-arc depth. Using piston-cylinder apparatus, we performed melting and crystallisation experiments (3 GPa; 650 – 1000°C; ƒO2 ~ NNO) on natural, trace elementundoped and volatile-rich sediments (pelite and marlstone). Experiments were conducted with variable water (5 to 10 wt% H2Oin) and sulphur (0, 1 and 2 wt% Sin) contents. Silicate melts produced by the fluid-present melting of pelite range from trondhjemitic to granitic compositions, are broadly peraluminous and coexist with garnet + kyanite ± phengite ± quartz + rutile. Those produced by the fluid-present melting of marlstone are sodic (granodioritic composition), metaluminous to slightly peraluminous and coexist with garnet ± epidote ± clinopyroxene ± kyanite ± quartz + rutile. Sulphur addition at ƒO2 ~ NNO leads to sulphide precipitation. Thus, iron (Fe2+) contents decrease (Mg# increase) in the system and this strongly impacts phase relationships: garnet, epidote and phengite are consumed in favour of pyroxens, biotite and amphibole. Trace-element distribution between silicate melt and starting bulk for S-doped systems is largely impacted (e.g. rare earth elements fractionation). On the basis of data obtained in mantle xenoliths(Grenada, Lesser Antilles) and from geochemical modelisations, we are suggesting that a contribution in the mantle wedge of 1 to 3 % of trondhjemitic/granitic melts derived from pelitic sediments (≤ 1 wt% Sin) mayaccount for the composition of basalts in the southern part of Lesser Antilles (Grenada and Grenadines).

Une nouvelle méthode de haute précision pour analyser les isotopes de Sn à avec double-spike 117Sn-122Sn a été développée. / A new high-precision isotope method for analyzing Sn using the 117Sn-122Sn double-spike technique was developed.

Les éléments volatils, principalement l'eau, sont enrichis dans les magmas d'arcs. Ils jouent un rôle prépondérant dans le magmatisme de zone de subduction, que ce soit en permettant la fusion du manteau ou en influençant l'explosivité des éruptions en surface. L'objectif de cette étude est la caractérisation (en éléments majeurs, traces, volatils et isotopes du bore) des liquides primaires des magmas d'arcs et de leurs sources, afin de discuter de l'influence des phases mobiles issues du slab dans leur genèse. L'approche adoptée est l'analyse des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes de quatre volcans répartis dans trois zones de subduction : Vulcano, dans l'arc Eolien (Italie), le Mont Shasta, dans l'arc des Cascades (Californie, Etats-Unis), le Pichincha et le Pan de Azucar, dans l'arc Equatorien. Les inclusions primaires étudiées contiennent des liquides basaltiques sous-saturés en silice, plus ou moins riches en CaO, dérivant d'une source mantellique veinée de zones riches en amphiboles (±clinopyroxène, ±phlogopite) et ayant subi un degré variable de métasomatisme. Leurs compositions en éléments traces illustrent l'enrichissement de leurs sources mantelliques par des composés mobiles issus du slab et de compositions contrastées. Il existe d'importantes variations des compositions en éléments volatils entre les inclusions provenant de plusieurs échantillons d'un même volcan (le Mont Shasta), celles provenant de plusieurs volcans d'une même zone de subduction (le Pichincha et le Pan de Azucar) ainsi qu'entre les inclusions des trois zones de subduction étudiées (arc Eolien, arc Equatorien et arc des Cascades). L'étude de l'évolution des teneurs en éléments volatils en fonction des pressions de saturation indique que seules les teneurs en Cl et F des inclusions magmatiques sont représentatives des teneurs du magma primitif. Le dégazage précoce et la formation de globules de sulfure affectent les teneurs en H2O, CO2 et S, qui peuvent être utilisées en tant qu'estimations minimales des teneurs des magmas primitifs. Les compositions en Cl des sources mantelliques des inclusions étudiées varient de 3±1 ppm à 450±125 ppm et celles en F varient de 16±6 ppm à 147±32 ppm (Cl/F de 0,2±0,1 à 3,6±1,2). L'association des rapports Cl/F des sources avec l'enrichissement en Nb (par rapport aux MORB) des inclusions et leurs valeurs isotopiques en bore suggère la participation de deux principaux composés mobiles dans la source de ces inclusions : (1) un liquide silicaté issu de la fusion des sédiments déshydratés (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pan de Azucar, qui possèdent des faibles δ11B ainsi qu'un fort enrichissement en Nb par rapport aux MORB) ; (2) un fluide aqueux formé lors de la déshydratation de la croûte océanique (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pichincha). Selon les propriétés physico-chimiques des différentes zones de subduction, ce fluide peut avoir les caractéristiques d'un fluide supercritique et être plus ou moins riche en éléments traces. Les compositions des inclusions de la Sommata (Italie) et de l'échantillon 95-15 du Mont Shasta montrent des enrichissements intermédiaires de leurs sources comparé à celles des inclusions du Pichincha et du Pan de Azucar. Leurs sources semblent avoir été métasomatisées par un mélange entre les deux composés métasomatiques décrits ci-dessus.