Il est aujourd’hui largement accepté que les mécanismes de convection mantellique dans le manteau supérieur sont reliés aux propriétés plastiques de l’olivine constituant principale du manteau supérieur. Ce minéral, un silicate de composition (Mg,Fe)2SiO4, se déforme essentiellement par glissement de dislocations de vecteurs de Burgers [100] et [001]. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons donc choisi de modéliser les propriétés de ces dislocations ainsi que les systèmes de glissement potentiels de l’olivine à partir de calculs à l’échelle atomique. L’ensemble des calculs ont été effectués à l’aide du potentiel THB1. Une fois les structures de cœurs des défauts déterminées, les paysages énergétiques associés au glissement des dislocations ont été analysés par la méthode « Nudge Elastic Band ». A basse pression, la modélisation atomique montre que les systèmes [100](010) et [001]{110} correspondent aux systèmes de glissement primaires de l’olivine. L’étude des paysages énergétiques des dislocations nous permet de plus de rationaliser les observations expérimentales de « pencil glide » reportées dans l’olivine depuis les années 70 et de proposer un mécanisme original de blocage-déblocage pour le glissement des dislocations de vecteurs de Burgers [001]. Enfin, l’application de ce type de modélisation aux conditions de pression du manteau supérieur (0-10 GPa) confirme l’existence d’un effet de durcissement de la pression sur le glissement des dislocations de vecteur de Burgers [100]. / It is widely accepted that the dissipation of heat from the core to the surface of the Earth through a thermally insulating mantle is only possible by convection process. Mantle convection is responsible for a large number of geological activities that occur on the surface of the Earth such as plate tectonic, volcanism, etc. It involves plastic deformation of mantle minerals. In Earth’s interior, the outer most layer beneath the thin crust is the upper mantle. One of the most common mineral found in the upper mantle is the olivine (Mg,Fe)2SiO4. Knowledge of the deformation mechanisms of olivine is important for the understanding of flow and seismic anisotropy in the upper mantle. The experimental studies on the plastic deformation of olivine highlighting the importance of dislocations of Burgers vector [100] and [001]. In this work, we report a numerical modelling at the atomic scale of dislocation core structures and slip system properties in forsterite, at pressures relevant to the upper mantle condition. Computations are performed using the THB1 empirical potential and molecular statics. The energy landscapes associated with the dislocation mobility are computed with the help of nudge elastic band calculations. Therefore, with this work, we were able to predict the different possible dislocation core structures and some of their intrinsic properties. In particular, we show that at ambient pressure [100](010) and [001]{110} correspond to the primary slip systems of forsterite. Moreover, we propose an explanation for the “pencil glide” mechanism based on the occurrence of several dislocation core configurations for the screw dislocation of [100] Burgers vector.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale de l’effet de pression sur rhéologie de l’olivine et de la forstérite aux conditions du manteau supérieur. En effet, certains aspects de la géodynamique de l’intérieur de la Terre restent méconnus. En particulier, le manteau supérieur, en convection, présente une anisotropie sismique dont l’amplitude diminue avec la profondeur et l’olivine, composant principal du manteau supérieur, possède des propriétés mécaniques mal comprises. Des polycristaux d’olivine et de forstérite sont déformés en presse D-DIA entre 3 et 8 GPa et 1373-1673 K. A l’aide de rayonnement synchrotron, une méthode d’analyse est mise au point pour mesurer in situ les contraintes et le développement de textures dans les échantillons. Ces résultats sont ensuite complétés par des analyses en microscopie électronique en transmission. Ces données expérimentales permettent de contraindre les lois rhéologiques en déformation par fluage-dislocation, en conditions « hydratées » et jusque 8 GPa. Un effet de pression est observé avec un volume d’activation de 12,8 (5) cm3.mol-1 pour l’olivine. Ce paramètre est de 12,5 ± 5 cm3.mol-1 pour la forstérite, avec un exposant de contrainte déterminé à n’= 2,35 (0,6). L’effet d’eau est moins marqué que celui de la pression, et le fer rend l’olivine plus ductile que la forstérite. Les textures développées au cours des expériences montrent un plan de glissement (010) dominant en-dessous de 8 GPa. Au-delà, d’autres systèmes de glissement et/ou un autre mécanisme de déformation entrent en jeu. Cette transition de textures est bien corrélée avec la chute d’anisotropie observée dans le manteau supérieur en-deçà de 200 km. / This manuscript presents an experimental investigation of the effect of pressure on the rheology of olivine and forsterite. Indeed, the geodynamics of the Earth’s interior is not always well understood and needs input for experimental data. The movements of materials in the Earth mantle induce plastic deformation of the constitutive minerals and, particularly, are connected to the rheology of olivine, the main constituent of the upper mantle. Polycristalline olivine and forsterite are deformed in D-DIA at pressure-temperature conditions of the upper mantle, from 3 to 8 GPa and 1373-1673 K. Coupled with synchrotron radiations, applied stresses and developed lattice preferred orientations are measured in situ, with the addition of transmission electron microscopy observations on the run products. From these experimental data, rheological laws have been determined in dislocation-creep regime, under “wet” conditions and below 8GPa for both of these minerals. Pressure effect is observed with an activation volume of 12.8 ± (5) cm3.mol-1 for olivine. For forsterite, this parameter is 12.5 ± 5 cm3.mol-1, with a stress-exponent of n’= 2.35 (0.6). The water influence is apparently not significant compared to the pressure effect, and the iron-bearing olivine is more ductile than iron-free olivine.Developed textures show a dominant slip-system along the (010) plane below 8 GPa. Above, textures are weaker, leading to the conclusion that others slip-systems and/or deformation mechanisms take a part in the plasticity of the olivine. This transition is well correlated with the decreasing of the observed seismic anisotropy of the upper mantle below -200 km.

Cette thèse porte sur la déformation de deux phases minérales majeures du manteau inférieur de la Terre : la bridgmanite et (Mg,Fe)O. Ils représentent près de 95% du manteau inférieur, et leur rhéologie est de première importance en vue de mieux comprendre la convection mantellique. La rhéologie de ces phases a été modélisée grâce à l’utilisation de techniques de calcul numériques et analytiques afin de déterminer leur réponse en fluage (c’est-à-dire l’écoulement stationnaire sous une charge constante).Les agents pertinents de la déformation en fluage sont identifiés et leur comportement est modélisé à l’échelle du cristal. Les dislocations étant les porteurs principaux de la déformation plastique, le fluage a donc été modélisé comme résultant du glissement et/ou de la montée (contrôlée par la diffusion) des dislocations. Le fluage de (Mg,Fe)O résulte d’une combinaison de glissement et de montée des dislocations. Afin de modéliser ce comportement à l’échelle mésoscopique, une technique de dynamique des dislocations 2,5D a été employée. Dans (Mg,Fe)O, le glissement des dislocations est responsable de la déformation plastique, mais la vitesse de fluage est contrôlée par la montée. Nos calculs de vitesses de fluage permettent d’estimer la viscosité de (Mg,Fe)O dans les conditions des couches profondes du manteau inférieur. Pour la bridgmanite, nous proposons un fluage impliquant la montée pure des dislocations dont la vitesse de fluage est calculée sur la base d’un modèle analytique de la littérature. Nous en déduisons la vitesse de fluage de la bridgmanite le long d’un géotherme, valeurs que l’on peut comparer aux observables disponibles actuellement. / This thesis work addresses the deformation behavior of two major mineral phases of the Earth’s lower mantle: bridgmanite and (Mg, Fe)O. They constitute ~90-95% of the lower mantle and their rheology is of primary importance for a better understanding of mantle convection. The rheological properties of these phases were modeled through the implementation of numerical and analytical techniques, in order to assess their creep behavior (i.e. steady-state deformation under a constant applied stress).The relevant deformation agents driving creep are identified and then modeled at the single crystal scale. In this framework, dislocations are amongst the main carriers of crystal plasticity and the creep behavior of the considered minerals can therefore be assessed by considering dislocation glide and diffusion-driven dislocation climb. (Mg,Fe)O creep is driven by the interplay between glide and climb and in order to model it, a 2.5-dimensional (2.5D) dislocation dynamics (DD) approach has been deployed. 2.5D-DD is a numerical technique which addresses the collective behavior of dislocations at the mesoscale. It is demonstrated that dislocation glide is responsible for the plastic deformation and climb is the rate-limiting mechanism. From the modeled creep strain rates it was possible to estimate viscosity of (Mg,Fe)O at lowermost mantle conditions. As for bridgmanite a pure climb mechanism is proposed, and the creep strain rates were evaluated according to a physics-based analytical creep model. The viscosity of bridgmanite along a geotherm is retrieved and compared with the available observables.

Cette étude met en évidence le rôle de la subduction Pacifique dans la genèse des basaltes est- chinois à l’aide de la mesure de leur teneur en eau par infrarouge en transformé de Fourier (IRTF) et de leur composition isotopique en oxygène analysée par sonde ionique (SIMS). Les valeurs en δ18O des phénocristaux de clinopyroxènes (cpx) des basaltes de Shuangliao, varient entre 4.10‰ et 6.73‰. Elles suggèrent la présence d’une croûte océanique recyclée (ROC) dans la source magmatique. La forte valeur de la concentration en H2O et du rapport H2O/Ce de la source magmatique (0.90-3.06 pds.%, 158-737), suggère également la contribution de sédiments riches en eau à la source. Par contre, les basaltes de Wulanhada ont une teneur en eau nettement plus faible (0.21-0.69 pds.%). Leur δ18O élevé (5.49-7.38 ‰) et la corrélation du rapport H2O/Ce avec 87Sr/86Sr, Ba/Th, Nb/La, Nb/U et Ce/Pb indiquent clairement une contribution de sédiments déshydratés dans la source, en plus de la croûte (ROC). Dans les basaltes de Chaihe-aershan, le δ18O des cpx ainsi que la teneur en H2O initiale du magma varient sur une large gamme (4.27-8.57‰, 0.23-2.70 pds.%). À partir de la comparaison entre le δ18O des phénocristaux de cpx, H2O/Ce, Ba/Th et l’anomalie en Eu en roche totale, nous avons clairement identifié trois composantes distinctes dans la source magmatique : une croûte océanique supérieure avec des sédiments marins, une croûte océanique inférieure gabbroïque altérée et le manteau au voisinage de la source. Les mesures faites sur les basaltes ultra potassiques de Xiaogulihe révèlent des teneurs en H2O et des rapport H2O/Ce faibles (0.36-0.50 pds.%, ~15). Les valeurs en δ18O des phénocristaux d’olivine de ces basaltes, couplées à des valeurs basses en 206Pb/204Pb et relativement hautes en 87Sr/86Sr de la roche, suggèrent que l’origine de ces basaltes est très probablement liée à la présence de sédiments anciens fortement déshydratés, riches en potassium. / This work is focused on the role of the Pacific subduction on the genesis of the Cenozoic continental basalts in eastern China, based on the approaches of the water contents (analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)) and oxygen isotope compositions ( analyzed by Secondary ion mass spectrometry (SIMS)).The δ18O values of cpx phenocrysts in the Shuangliao basalts range from 4.10‰ to 6.73‰, which provides a strong evidence for the contribution of recycled oceanic crust (ROC) in the mantle source. Combined with the high H2O content and H2O/Ce ratios of the “primary” magma (0.90-3.06 wt.%, 158-737), the contribution of water-rich sediment component has also been suggested. Unlike the Shuangliao basalts, the Wulanhada basalts have lower H2O contents (0.21-0.69 wt.%). The high oxygen isotope compositions (5.49-7.38 ‰) and the correlations of H2O/Ce with 87Sr/86Sr, Ba/Th, Nb/La, Nb/U and Ce/Pb ratios indicate that the contributions of a significantly dehydrated sediments and ROC to the mantle source. In Chaihe-aershan basalts, the δ18O values of cpx phenocrysts and the H2O contents of “primary” magmas vary widely (4.27-8.57‰, 0.23-2.70 wt.%).Three components (altered upper oceanic crust and marine sediments, altered lower gabbroic oceanic crust, ambient mantle) have been identified in the mantle source based on the relations between δ18O values of the cpx phenocrysts, H2O/Ce and Ba/Th ratios and the Eu anomaly of bulk rock. For the Xiaogulihe ultrapotassic volcanic rocks, the estimated H2O contents and H2O/Ce ratios are low (0.36-0.50 wt%, ~15). Combined with the high δ18O values of olivine phenocrysts, the low 206Pb/204Pb ratios and moderately high 87Sr/86Sr ratios of the bulk rock, we concluded that highly dehydrated ancient sediments could be a most likely candidate for the K-rich component in the mantle source.

La plupart des processus géologiques affectant la surface de la Terre sont le reflet des mouvements de convection au sein du manteau terrestre. Ces mouvements sont essentiellement gouvernés par le fluage par dislocations des silicates du manteau et sont à l'origine d'une anisotropie des vitesses des ondes sismiques. Cependant, les mécanismes de déformation de ces minéraux sont mal connus. Les conditions dans les couches les plus profondes sont extrêmes; la température y atteint plusieurs milliers de degrés et la pression est plus d’un million de fois supérieure à la pression atmosphérique. La détermination expérimentale de la plasticité de ces minéraux nécessite des expériences de déformation sous hautes pression et température. Les mécanismes de déformation sont généralement déterminés à partir d'expériences en cellule à enclumes diamants permettant d'atteindre les conditions de pression et de température du manteau. L'objectif de cette thèse visait à développer une nouvelle technique permettant d'étudier les dislocations in situ dans les grains d’un polycristal sous haute pression, directement à partir de leur effet sur les raies de diffraction X. De ce fait, nous avons combiné la diffraction X tridimensionnelle (3D-XRD) à la méthode d'analyse des profils de pics de diffraction (XLPA, X-ray Line Profile Analysis). Les travaux de cette thèse ont été appliqués à la post-perovskite, présente dans la couche D'' à l'interface noyau-manteau et à la stishovite, présente principalement dans les plaques en subduction. Les résultats obtenus sont utiles à la compréhension et la modélisation des mouvements de convection et du développement d'anisotropie sismique dans le manteau. / The Earth mantle and inner core are submitted to large scale movements of solid materials. The physical process allowing the flow of solid materials is connected to plastic properties and, in particular, dislocations. It is the source of seismic wave velocities anisotropy. However, the deformation mechanisms of deep Earth minerals are poorly understood. Deep in the Earth’s interior, minerals are under extreme conditions; the temperature reaches several thousand degrees and the pressure is more than one million times the atmospheric pressure. The experimental study of the plasticity of those minerals requires deformation experiments under high pressure and temperature. High pressure phenomena are often determined from experiments using diamond anvil cell to reach the conditions of pressure and temperature of the mantle. The objective of this thesis was to develop a new technique for studying dislocations in situ in grains inside a polycrystal under high pressure, directly from their effect on the X ray diffraction profiles. To do so, we combine three-dimensional X-ray diffraction (3D-XRD) to X ray Line Profile Analysis method (XLPA). The development done in this thesis was applied to post-perovskite, the main constituent of the D'' layer at the core-mantle boundary and to stishovite, present mainly in subducting slabs. The results obtained are useful for understanding and modeling of convection and the development of seismic anisotropy in the mantle.

La taille de grains dans le manteau terrestre a des implications cruciales sur les processus à grande échelle, telles que la propagation des ondes sismiques, la perméabilité et la rhéologie des roches. Cependant, la taille de grains évolue constamment avec le temps, car la croissance de grains statique induit une augmentation de la taille moyenne tandis que la recristallisation dynamique contribue à sa décroissance. La croissance d’olivine au sein d’agrégats mantelliques dans un milieu inter-granulaire sec, en présence de liquide magmatique ou dans des conditions sursaturées en eau a été modélisée dans le cadre de cette thèse. En s’appuyant sur la théorie de croissance cristalline ainsi que sur des expériences à 1-atmosphère et hautes températures précédemment publiées, la loi de croissance d’olivine sèche a été déterminée. Le facteur limitant est, dans ce cas, la diffusion du silicium aux joints de grains à travers une épaisseur effective de 30 nm. La croissance d’agrégats en présence de liquide magmatique et fluide aqueux a été contrainte par de nouvelles expériences haute pression/haute température. Ces données indiquent que les taux de croissance sont significativement plus importants que dans des conditions sèches et sont limités par des réactions aux interfaces cristal/liquide. Nous proposons une loi de croissance générale régulée par une combinaison de joints de grains secs et mouillés, grâce aux paramètres de contiguité et de mouillabilité. Cette loi de croissance unifiée est fondamentale pour extrapoler les tailles de grains expérimentales à des échelles de temps, des profondeurs et des quantités de liquides relatives au manteau supérieur. / Grain size in the Earth’s mantle is a fundamental parameter that has crucial implications on large-scale processes, such as seismic wave propagation, the permeability and the rheology of rocks. However, grain size is constantly evolving with time, where static grain growth implies an increase of the average grain size whereas dynamic recrystallization contributes to its decrease. Static grain growth of olivine-rich mantle aggregates in an intergranular medium being dry, melt-bearing and water-oversaturated has been here modeled. By using the appropriate theoretical background, the dry olivine grain growth law has been established from previously published experimental grain growth data at 1-atmosphere and high-temperature conditions. Grain growth rates for these samples are limited by silicon diffusion at grain boundaries through an effective width of 30 nm. Grain growth for melt- and water-bearing aggregates was, however, constrained by new high-pressure and high-temperature experiments. This data indicates that grain growth rates for liquid-bearing samples are significantly faster than for dry samples and are limited by precipitation reactions at the crystal/liquid interface rather by diffusion through the liquid phase. We propose a general grain growth law, which takes into account dry grain boundaries as well as wetted grain-grain interfaces, through the contiguity and wetness parameters. This unified law is fundamental to extrapolate experimental grain sizes to time scales, depths and liquid contents that are relevant of the upper mantle.

Les ressources géothermales de haute température se localisent principalement le long des zones de subduction. Considérée comme amagmatique, la Province géothermale du Menderes (Turquie) offre l’opportunité d’étudier des systèmes géothermaux sans nécessairement invoquer une source de chaleur magmatique dans les premiers kilomètres de la croûte. Cette étude montre que les températures anormalement élevées dans la zone d’arrière-arcs sont principalement liées à la dynamique particulière de la subduction est-méditerranéenne (i.e. retrait et déchirure). Les résultats de modèles numériques suggèrent que le shear heating et les flux mantelliques modifient temporairement la quantité du flux de chaleur à la base de croûte. Par ailleurs, des études de terrain sur l’ensemble de la région (Cyclades, Dodécanèse et Anatolie occidentale) montrent une évolution tectonique et thermique similaire depuis le Crétacé, marquée minéralogiquement par une succession d’épisodes de HP-BT puis de HT-BP. Toutefois, l’apport des données TRSCM et radiochronométriques (⁴⁰Ar-³⁹Ar, U-Pb) souligne un évènement thermique majeur contemporain à la mise en place du dôme métamorphique du Menderes. Cet événement que l’on explique par un changement drastique de la dynamique de subduction (i.e. déchirure du panneau plongeant sous le Massif du Menderes), se développe au Miocène. Des structures d’échelle crustale (i.e. détachements)accommodent la mise en place du Massif du Menderes et contrôlent la circulation des fluides dans la croûte, depuis la zone de transition fragile-ductile jusqu’à la surface, sans nécessairement impliquer la contribution de systèmes magmatiques dans la croûte supérieure. La Province géothermale du Menderes est considérée comme une province de haute température de taille mondiale car elle résulte de la dynamique de subduction qui contrôle spatialement et temporellement l’intensité de l’anomalie thermique mais également la mise en place de structures perméables(détachements) d’échelle crustale favorisant la circulation des fluides. / High temperature geothermal resources are mainly located along subduction zones. The Menderes geothermal Province (Turkey) offers the opportunity to study amagmatic geothermal systems, without necessarily invoking a magmatic heat source in the upper crust. This study shows that high temperatures in the back-arc domain are primarily related to subduction dynamics (i.e. rollback and tearing). Numerical models suggest that shear heating and mantle flows increase temporarily the amount of heat flow at the base of the crust. Furthermore, field studies on the entire Aegean region (Cyclades, Dodecanese and Western Anatolia) show a similar tectonic and thermal evolution since the Cretaceous, characterized by a succession of episodes of HP-LT and HT-LP metamorphism. Moreover, the contribution of TRSCM and radiochronometric data (⁴⁰Ar-³⁹Ar, U-Pb) reveals the formation of a largethermal pulse contemporaneous with the exhumation of the Menderes MCC. This event occurs in the Miocene and may be explained by a drastic change in subduction dynamics (i.e. slab tearing under the Menderes Massif).Crustal-scale structures (i.e. detachments) induce the emplacement of the Menderes MCC, and also control deep fluids circulation in the crust from brittle-ductile transition zone to the surface without magmatic contribution inthe upper crust. As a consequence, the Menderes geothermal Province is recognized as a most important active geothermal province in the world because it results from subduction dynamics. This dynamics thus controls thespatial and temporal distribution of thermal anomaly and extension, inducing crustal-scale permeable structures(detachments) that enhance fluids circulation.

Des xénolites de péridotite provenant de deux localités du sud du Massif Central Français (Allègre et Mont Coupet), émis avec des modes éruptifs différents, ont été étudiés pour définir l’évolution du manteau sous continental et pour étudier le comportement de Li et H lors des réactions fluides roches lors de leur remonté vers la surface. Un ensemble de 6 xénolites représentatifs a été sélectionné pour chaque localité. La description pétrologique et minéralogique de chaque échantillon a été associée à la mesure des compositions chimiques en éléments majeur (par microsonde électronique) et trace (par LA-ICP-MS) des principales phases minéralogiques (Olivine, Pyroxène, Amphibole). La teneur et la composition isotopique du Li ont été mesurées par microsonde ionique (SIMS), et les teneurs en eau par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier (FTIR) et SIMS dans les pyroxènes et les olivines. Pour les xénolites d’Allègre, les anomalies négatives en HFSE et les rapports LREE/HREE élevés reflètent un métasomatisme lié à des liquides carbonatitiques, succédant à un processus de fusion partielle du manteau lithosphérique. Pour les échantillons du Mont Coupet, Les anomalies négatives en Ti et Nb des Cpx de tous les échantillons et les anomalies négatives de Zr et Hf pour deux échantillons plus fortement métasomatisés (MC38 et MC34) soulignent également un métasomatisme carbonatitique. Les amphiboles des échantillons MC36 et MC53, dont l'origine doit être associée à des fluides de subduction, sont à l’équilibre avec les Cpx coexistant, ce qui indique que le fluide qui a permis leur formation n’a pas enrichi les Cpx en LREE ou LILE. La composition isotopique de des xénolites d’Allègre montre qu’ils ont été affectés par un métasomatisme en au moins deux étapes par des fluides différents. Les teneurs très élevées en Li des Cpx (jusqu'à 50 ppm) et l’enrichissement même modéré des bordures des olivines sont attribués à un apport de Li par diffusion depuis le magma hôte. Par contre, les compositions isotopiques pauvres en 7Li préservées au coeur des Ol (δ7Li jusqu’à -25‰) suggèrent l’existence d’un autre évènement métasomatique ayant affecté les péridotites avant leur remonté vers la surface. En revanche, les minéraux des xénolites de Mont Coupet ont des concentrations en Li similaires à celles du manteau, avec une répartition à l’équilibre entre les minéraux. Cependant les valeurs de δ7Li négatives observées pour les Cpx et Opx de certains échantillons suggèrent une interaction avec un fluide en quantité limitée et une composition isotopique négative. La préservation du fractionnement isotopique du Li entre les pyroxènes et olivines indique que cette interaction a du avoir lieu peu de temps avant l'entrainement des xénolites vers la surface. Les fluides métasomatiques à l’origine des valeurs de δ7Li négatives observées à Allègre et à Mont Coupet sont liés à un environnement de subduction, probablement lié à l'orogenèse varisque dans le cadre régional du FMC. Les teneurs en eau mesurées dans les xénolites d’Allègre vont de 10,6 à 12,4 ppm, des valeurs beaucoup plus faible que celle du manteau source des MORB. Ceci s’explique par une perte d’eau associée au dégazage du magma lors du refroidissement du lac de lave. L’absence de variation cœur-bord montre une distribution de l’eau à l’équilibre entre les xénolites et la lave hôte. A l’inverse, les xénolites du Mont Coupet ont pu conservé leur teneur en eau acquise en profondeur, contrôlée par les processus de fusion partielle qui ont affecté les péridotites. Cependant, l'échantillon MC34, affecté par le métasomatisme carbonatitique, a la plus haute teneur en eau parmi ces xénolites. Inversement, les échantillons MC36 et MC53 qui contiennent des amphiboles, n’ont pas des teneurs en eau élevées, suggérant que l'agent métasomatique responsable de la formation des amphiboles n'a pas enrichi en eau les autres phases de la péridotite. / Peridotite xenoliths sampled from two volcanoes erupting in different modes in two localities, Allègre and Mont Coupet, in the southern domain of the French Massif Central (FMC), have been investigated to constrain the evolution of the sub-continental lithospheric mantle beneath the FMC and the behaviors of Li and H during melt-rock reactions. To answer these questions, a set of 6 representative xenoliths was selected for each locality, and described for their mineralogy and petrography. In-situ measurements were then performed for major and trace elements in Ol, Cpx and Amp when existing, via EPMA and LA-ICP-MS respectively, for Li concentrations and isotopic compositions in pyroxenes and Ol (via SIMS), and water concentrations in minerals (via FTIR and SIMS). Negative HFSE anomalies and markedly high LREE/HREE ratios reflect a carbonatite-related metasomatism following an earlier partial melting process in the lithospheric mantle under Allègre. The Ti and Nb negative anomalies in Cpx from all the Mont Coupet samples and Zr-Hf negative anomalies in Cpx from two most strongly metasomatized samples MC38 and MC34 also point to a carbonatite-related mantle metasomatism. Amp in samples MC36 and MC53, whose origin should be associated with fluids from the subducting slab, have equilibrated most of the trace element composition with coexisting Cpx and the modal metasomatism responsible for the Amp genesis haven’t refertilized Cpx in LREE and LILE. Lithium isotope systematics indicates that Allègre xenoliths were overprinted by (at least) a two-stage metasomatism by melts of different origins. Exceptionally high Li concentrations in Cpx (up to 50 ppm by weight) and slightly increased Li contents at Ol rims are ascribed to a diffusive Li uptake from infiltrating melts derived from the host magma. On the other hand, extremely light Li isotopic compositions preserved in Ol cores (with δ7Li as low as -25‰) suggest another metasomatic event prior to xenolith entrainment by the host magma. In contrast, xenoliths from Mont Coupet have Li concentrations in constituent minerals similar to the normal mantle, and display nearly equilibrated inter-mineral Li partitioning and homogeneous intragranular Li distribution in every phase. The negative δ7Li values of Cpx and Opx in some samples were brought by the exchange with a small-volume melt with Li concentration similar to the normal mantle and light Li isotopic compositions. The preservation of inter-mineral large Li isotopic fractionation currently observed in these samples indicates that the percolation of the melt should occur shortly prior to the entrainment of Mont Coupet peridotite xenoliths by the host magmas. The metasomatic agents, accounting for negative δ7Li values in Ol cores in Allègre xenoliths and in Cpx and Opx in some Mont Coupet xenoliths, are related to a subduction environment. In the regional framework of the FMC, the subduction event most likely occurred during the Variscan orogeny. Water content in Allègre xenoliths ranges from 10.6 to 12.4 ppm in weight, much lower than the water content in the MORB source mantle. It implies that water were lost during the degassing of the host magma during slow cooling of the lava lake. No core-rim variations from profile analysis suggest that xenoliths have achieved water diffusive equilibrium with the host magmas. Peridotite xenoliths from Mont Coupet have retained their original water content from the mantle depths. Partial melting has controlled the water content in most samples from Mont Coupet. However, the subsequent carbonatite-related metasomatism has affected the sample MC34, which had the highest water content among the Mont Coupet xenoliths. And the aqueous agent responsible for presence of Amp in samples MC36 and MC53 has not lead to the considerable increase of water content.

L’évolution des assemblages pétrologiques avec l’augmentation de pression et de température est couramment perçue à l’équilibre et figée dans le temps. Le développement des sources synchrotron de rayons X permet à présent de mesurer in situ et en temps résolu les vitesses de transformations minéralogiques à haute pression (HP), haute température (HT). Cette thèse présente l’utilisation de cette technologie dans 2 contextes géologiques. (i) Le potentiel sismogène de la déstabilisation des minéraux hydratés dans les plaques en subduction est vérifié. Les cinétiques de déshydratation du talc, de la phase à 10Å et de l’antigorite ont été mesurées à HP-HT en système clos. Nous avons identifié que l’antigorite se déshydrate en passant par un stade intermédiaire. Toutes les vitesses de libération de fluides associées sont plus rapides que la déformation visqueuse des roches et sont donc compatibles avec le déclenchement de rupture. (ii) Les cinétiques de transition olivine-ringwoodite ont été déterminées dans la loupe de costabilité pour des compositions riches en Fe. Elles mettent en évidence une amorphisation partielle de l'olivine en début de transformation. Cela pourrait perturber de manière significative la vitesse des ondes sismiques lors de leur passage au niveau de la zone de transition mantellique. Par ailleurs, les temps caractéristiques de réaction et la réduction conséquente de la taille des grains, indiquent qu’une telle transition de phase induit une atténuation sismique importante. Ces résultats expérimentaux in situ HP-HT révèlent des mécanismes originaux de transition de phase et contribuent ainsi à une meilleure compréhension des modèles géodynamiques / The evolution of petrological assemblies with increasing pressure and temperature is commonly perceived at equilibrium and fixed within time. The development of X-ray synchrotron sources now enable to measure in situ, time-resolved rates of mineralogical transformations at high pressure (HP), high temperature (HT). This thesis presents the application of this technology in two geological settings. (i) The seismogenic ability of breakdown of hydrated minerals within the subducting slab is checked. The dehydration kinetics of talc, 10Å phase and antigorite were measured at HP-HT in a closed system. We have found that antigorite dehydrates through an intermediate stage. All associated rates of released fluids are faster than the viscous deformation of rocks and are therefore compatible with the trigger of rupture. (ii) The kinetics of olivineringwoodite transition were determined within the co-stability loop for Fe-rich compositions. They show a partial amorphization of olivine at the beginning of the transformation. This could significantly affect the velocities of seismic waves when crossing the mantle transition zone. Moreover, the characteristic times of this reaction and the substantial reduction in grain size, indicate that such a phase transition may induce a significant seismic attenuation. These in situ HP-HT experimental results reveal novel mechanisms of phase transition and thus contribute to a better understanding of geodynamic models