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La déformation des roches du manteau terrestre contrôle les mécanismes de convection du manteau, qui se manifestent à notre échelle par les séismes, les volcans ou encore la tectonique des plaques. Cette étude propose une détermination de la mobilité des dislocations, et de leur rôle dans la déformation plastique de la bridgmanite, principal constituant du manteau terrestre. La structure des dislocations à l’échelle atomique détermine leur capacité à se déplacer dans un cristal, et donc à déformer le matériau. Nous accédons à la structure de ces défauts aux pressions du manteau, en les modélisant à l’échelle atomique dans des calculs de statique moléculaire. Le mécanisme de glissement thermiquement activé des dislocations dans la bridgmanite, par nucléation de doubles décrochements, est évalué en couplant un modèle continu aux propriétés fondamentales des dislocations déterminées numériquement. Ces résultats permettent d’accéder à la vitesse de glissement des dislocations aux pressions et températures du manteau terrestre. Le modèle est capable de reproduire les niveaux de contraintes soutenus par la bridgmanite lors d’expériences de déformation en laboratoire. Le modèle est également capable d’estimer l’efficacité du glissement des dislocations aux conditions du manteau, et nous permet de discuter de sa pertinence dans le cadre de la déformation du manteau terrestre. / Heat transfer through the mantle is carried by convection, which involves plastic flow of the mantle constituents. In this study, we model the mobility of dislocations, and their role in the plastic deformation of bridgmanite, the most abundant constituent of the lower mantle. The dislocation structures at the atomic scale control their mobility, and hence their influence on the material’s deformation. We determine the structure of dislocations at pressure relevant for the lower mantle, by modeling these defects at the atomic scale with molecular static calculations. The thermally-activated mechanism of dislocation glide in bridgmanite, the kink-pair nucleation, is assessed by coupling a continuous model to the fundamental properties of dislocations. These results allow to estimate the glide velocity of dislocations, as a function of pressure and temperature. The model is able to reproduce the yield stress measured in laboratory deformation experiments. The model is also able to estimate the stress level needed to deform bridgmanite by dislocation glide at mantle conditions, and allows us to discuss their role in the deformation of the Earth’s lower mantle.

Hydrothermal circulation is a fundamental process in the formation and aging of the ocean crust, influencing its structure, physical and chemical properties, and the composition of the oceans and the mantle. The impact of hydrothermal circulation on mid-ocean ridge processes depends on the composition and volume of circulating hydrothermal fluids, and the extent of partitioning between high temperature axial- and low temperature ridge flank- systems, but these processes remain poorly constrained. This study uses whole rock and secondary mineral chemistries of altered ocean crust to (i) assess the extent of fluid-rock exchange during hydrothermal circulation, and (ii) determine the compositions of axial and ridge flank hydrothermal fluids. Sub Antarctic Macquarie Island is a unique sub-aerial exposure of a complete section of ocean crust in the ocean basin in which it formed. Sr and O isotope analyses from Macquarie Island, combined with stratigraphic reconstructions provide the first isotopic profiles through a complete section of normal ocean crust. Tracer transport mass balance calculations indicate that a timeintegrated fluid flux of 4 ± 1 x 106 kg/m2 is required to produce the observed shift in Sr-isotopic composition. This can be supported by the available mid-ocean ridge magmatic heat and is similar to estimates for sections of in situ ocean crust, but a factor of 10 lower than estimates for ophiolites indicating a fundamental difference between the hydrothermal cooling of mid-ocean ridge and supra-subduction zone ocean crust. Heat flow studies indicate that hydrothermal circulation persists for tens of millions on the ridge flanks, with approximately two-thirds of hydrothermal heat loss occurring off-axis at significantly lower-temperatures than in axial hydrothermal systems. Consequently a much larger volume of fluid is required and only small deviations in fluid compositions may result in significant contributions to ocean chemical budgets. Direct sampling of in situ basement fluids is extremely difficult, and can only be applied to active systems. Here, methods to calculate the compositions of ridge flank fluids from the compositions of secondary mineral precipitates are presented and applied to basalt-hosted calcium carbonate veins. Veins from the eastern flank of the Juan de Fuca Ridge record a temperature dependent fluid evolution, similar to that of near-basement pore fluids sampled by borehole studies. Carbonate veins from the Juan de Fuca Ridge and Ocean Drilling Program Site 1256 record a sufficient decrease in the fluid Sr-isotopic composition with temperature to balance the global ocean Sr budget, however, this result cannot be reconciled with the observation of Davis et al. (2003) that the studied ocean crust has exchanged insufficient Sr with the oceans to balance the global Sr budget. This suggests that these areas cannot be typical of the ocean crust as a whole.

La zone de transition est située entre 410 et 660 km de profondeur dans le manteau terrestre. Bien qu'il s'agisse d'une zone assez petite en volume du manteau terrestre, son rôle peut être important pour déterminer le mode, la vigueur et l'échelle de la convection globale, par exemple par le devenir de la subduction des plaques lithospheriques. Cette convection résulte de la déformation plastique des minéraux, qui elle-même résulte du mouvement des défauts cristallins. Parmi ces défauts, les dislocations sont souvent considérées comme les agents les plus efficaces de la plasticité intracristalline. C'est pourquoi nous proposons d'étudier les mouvements des dislocations dans les principales phases de la zone de transition: la wadsleyite et la ringwoodite. Par une approche de modélisation numérique, nous avons déterminé la mobilité thermiquement activée du glissement des dislocations que l’on trouve dans les polymorphes haute-pression de l'olivine. A partir de l'échelle atomique, nous avons modélisé les propriétés de coeur des dislocations. La déformation plastique est formulée en rendant compte de la dépendance intrinsèque du taux de déformation sur la mobilité des dislocations. Pour mieux comprendre les mécanismes de fluage dans la wadsleyite et la ringwoodite en conditions naturelles, on a utilisé les résultats précédemment définis sur le glissement que l’on a combiné avec la mobilité des dislocations en montée. Les résultats montrent que le glissement des dislocations est inefficace par rapport au fluage par montée dans des minéraux majeurs de la zone de transition. Cela suggère l'importance potentielle du fluage par montée, ce qui rendrait la zone de transition rhéologiquement distincte du manteau supérieur. / The transition zone is the region in the Earth's mantle between 410 and 660 km depth that separates the upper from the lower mantle. In spite of its small volume, it may play a role in constraining the style, vigour and scale of global mantle convection through, for instance, the fate of subducting slabs. Mantle convection is governed by plastic flow that occurs through the motion of crystal defects. Line defects or dislocations are considered to be one of the most efficient defects contributing to intracrystalline deformation. That is why in this work, we concentrate on the motion of dislocations in relation to the major phases of the mantle transition zone: wadsleyite and ringwoodite. A theoretical mineral physics approach is used to model the thermally activated glide motion of dislocations at appropriate pressure conditions in both high-pressure polymorphs of olivine. The intrinsic properties of dislocation core structures are modelled and parametrized by atomic scale calculations to take into account the effect of pressure on atomic bonding. Plastic deformation is finally described by taking into account the instrinsic strain rate dependence on the mobility of the defects.Since plastic deformation by the motion of dislocations is associated with creep, we use the above results and a climb mobility law to address the effective creep process in wadsleyite and ringwoodite under natural conditions. We show the inefficiency of dislocation glide as a strain producing deformation mechanism and suggest the potential importance of pure climb creep in the main minerals constituting the Earth's transition zone. This would imply the mantle transition zone to be rheologically distinct from the upper mantle.

Les évènements géologiques de surface, comme le volcanisme ou les séismes, sont le fruit d'une dynamique qui vise à dissiper la chaleur interne de notre planète. Dans le manteau terrestre, les roches sont déformées plastiquement dans des conditions extrêmes de pression, de température et de vitesse de déformation. Malgré les récentes avancées expérimentales, il est impossible de reproduire de telles conditions de déformation en laboratoire. C'est pourquoi nous proposons, dans ce travail de thèse, une approche numérique, basée sur la modélisation multi-échelle de la plasticité, des conditions du laboratoire à celles qui caractérisent le manteau terrestre. Nous avons choisi d'appliquer cette méthode à MgO, phase importante du manteau inférieur.À partir des propriétés de cœur des dislocations, nous avons utilisé la théorie des double-décrochements afin de décrire la mobilité d'une dislocation isolée en fonction de la température et de la contrainte. Nous avons ensuite implémenté, dans un code de Dynamique des Dislocations (DD), les paramètres de mobilité des différents défauts afin de décrire le comportement collectif des dislocations lors d’essais numériques de déformation. Les résultats montrent que les propriétés mécaniques de MgO dépendent fortement de la pression et de la vitesse de déformation. / Surface geological events, like volcanos and earthquakes, are due to the internal dynamics of the Earth which tends to release its internal heat. Inside the Earth's mantle, solid rocks are plastically strained under extreme conditions of pressure, temperature and strainrate. In spite of recent experimental progress, it is still impossible to reach such conditions of deformation. This is why we propose an alternative approach, based on the multi-scale modeling of plasticity, from the laboratory conditions to the Earth's mantle. We have choosen to apply our model to magnesium oxide which is a phase present in the lower mantle.From core properties, we modeled a dislocation thermally activated mobility law based on the kink pair theory. Then, we have incorporated it inside a Dislocation Dynamics code to describe the collective behaviour of dislocations throughout numerical strain experiments. Here we show that MgO mechanical properties depends significantly on pressure and strainrate.

La couche D" située à la frontière manteau-noyau est une région complexe caractérisée par une forte anisotropie à différentes échelles. Inaccessible de par sa profondeur et caractérisée par des conditions P-T extrêmes, l’étude de cette région de la Terre représente un défi majeur qui ne peut être abordé qu’au travers d’observables géophysiques et d’expériences de hautes pressions. Les causes de l’anisotropie sismique de D" sont toujours l’objet de débats. La contribution de l’orientation préférentielle des cristaux reste cependant une piste privilégiée compte-tenu de la structure très anisotrope de la post-perovskite (ppv). De plus, D" est une couche limite thermique à l’interface entre le noyau constitué d’un alliage de fer liquide et le manteau inférieur constitué de silicates visqueux. Les propriétés physiques de D" sont donc particulièrement importantes pour comprendre les transferts thermiques en provenance du noyau et leur contribution à la convection mantellique. Ce phénomène implique l’écoulement plastique de roches contrôlé par le déplacement de défauts cristallins. Cependant, pour la ppv, les informations concernant les systèmes de glissement majeurs ou les défauts sont extrêmement parcellaires. Pour les phases de hautes pressions, la modélisation numérique représente une approche de choix pour obtenir des informations sur les mécanismes de déformations élémentaires difficiles à obtenir par voie expérimentale. Le but de ce travail est d ‘étudier à l’échelle atomique les défauts majeurs de la ppv MgSiO3 ainsi que leurs mobilités afin d’évaluer la capacité de cette phase à se déformer plastiquement par glissement de dislocations dans les conditions de D". / The D’’ layer, located right above the core-mantle boundary, represents a very complex region with significant seismic anisotropy both at the global and local scale. Being a part of inaccessible deep Earth interior, characterized by extreme P-T conditions (>120 GPa, 2500 K), this region is very challenging for interpretation relying only on the direct geophysical observations and high-pressure experiments, leading often to contradictory results. Thus, the reasons of the pronounced anisotropy in D’’ are still debated. Among them, contribution of the crystal preferred orientation in anisotropic silicate post-perovskite (ppv) phase is commonly considered as substantial. Furthermore, the D’’ is a thermal boundary layer located at the interface between liquid iron alloy, constituting the outer core, and solid although viscous silicates of the lowermost mantle. As such, its physical properties are critical for our understanding of the heat transfer from the core, driving mantle convection. The latter is governed by plastic flow, controlled by the motion of defects in crystals. However, for the ppv, information about mechanical properties, easy slip systems, dislocations and their behavior under stress is still scarce. For high pressure phases, numerical modelling represents a powerful tool able to provide the intrinsic properties and the elementary deformation mechanisms, not available for direct observations during high-pressure experiments. The aim of this study is to access the structure and mobility of dislocations in MgSiO3 ppv, relying on the atomic-scale modeling, in order to infer the ability of this phase to plastically deform by dislocation glide at D’’ conditions.

Le lien entre les éléments volatils CO₂-H₂O et la fusion mantellique a depuis maintenant longtemps été illuminé par l’expérimentation. Une large base de données expérimentales existe et souligne l’effet primordial de ces éléments sur l’abaissement des températures de fusion de la péridotite ainsi que sur la composition des liquides magmatiques produits comme une fonction des conditions P – T – fo₂ – composition du système. Néanmoins, la diversité et la complexité de cette base de données peuvent compliquer sa compréhension globale. Dans cette étude, une analyse détaillée de la composition des liquides magmatiques riches en CO₂ et H₂O est réalisée, soulignant notamment une transition non-linéaire et plus ou moins abrupte entre des liquides carbonatitiques et des liquides silicatés. Un modèle thermodynamique est élaboré afin de calculer l’activité de SiO₂ dans les liquides magmatiques riches en CO₂-H₂O (aSiO₂(l)) et coexistant avec un assemblage péridotitique, depuis des termes carbonatitiques jusqu’à des termes basaltiques. L’application de ce modèle dans des conditions de ride océanique prédit la stabilisation des liquides carbonatitiques au démarrage de la fusion redox (liée à la transition graphite/diamant- carbonates) jusqu’à environ 100 km de profondeur, avant d’évoluer plus ou moins abruptement vers des liquides silicatés riche en CO₂. Au niveau des cratons, les kimberlites de Groupe I sont stabilisés en base de lithosphère (~250 km de profondeur), et peuvent être formés à partir d’un plume mantellique. L’épaisseur de cette lithosphère empêche la remontée du plume et la formation des OIB. Afin de décrire plus pleinement les propriétés thermodynamiques du liquide magmatique, un modèle plus complexe (système CMAS-CO₂) est en construction, dont la méthodologie est modifiée par rapport au précédent modèle calculant aSiO₂(l) ; un effort tout particulier est ici mené afin de mieux considérer les incertitudes expérimentales et thermodynamiques. / The link between volatiles (CO₂-H₂O) and mantle melting has so far been illuminated by experiments. A large experimental database exists and emphasizes the importance of volatiles on lowering solidus temperatures of peridotite and modifying the melt composition as a function of P – T – fo₂ – bulk composition. Nevertheless, the diversity and the complexity of this experimental database may complicate its global understanding. In this study, an analysis of CO₂-H₂O-rich melt composition is done, emphasizing the non-linear and more or less abrupt character of the transition between carbonate-rich melts and silicate-rich melts. A thermodynamic model is accomplished to calculate the silica activity in CO₂-H₂O-rich melts coexisting with peridotite assemblage and covering carbonatitic to basaltic terms. Along an oceanic ridge adiabat, the model predicts that carbonatitic melts can be stabilized at the onset of “redox melting” (transition between graphite/diamond-carbonates) to about 100 km depth, before abruptly evolving towards carbonated silicate melts. In cratons, Group I kimberlites are stabilized at the base of the lithosphere (about 250 km depth), and can originate from a mantle plume. The thickness of the lithosphere prevents the plume ascent and the production of OIB. In the aim of describing the melt thermodynamic properties more precisely, a more complex model (system CMAS-CO₂) is under construction, with a modified methodology relative to the previous model of silica activity; a specific effort is here conducted in order to better consider experimental and thermodynamic uncertainties.

Les données électromagnétiques imagent des zones du manteau plus conductrice que l’olivine sèche. Il y a peu d’ambiguïté sur le fait qu’un liquide est thermodynamiquement stable et présent au niveau de l’asthénosphère, mais son impact sur la conductivité électrique du manteau reste débattu. Les études pétrologiques réalisées ces 30 dernières années ont montré qu’une péridotite exposée aux conditions the P-T-fO₂ de l’asthénosphère produisait des liquides riches en H₂O and CO₂, mais les conductivités électriques de ces liquides sont mal connues. Pour cette raison, des expériences de conductivité électrique ont été réalisées en piston cylindre sur des liquides riches en H₂O and CO₂. Différentes compositions de liquides ont été explorées, des liquides carbonatés aux basaltes. Les effets de la composition chimique et des volatiles sur ces liquides ont été déterminés. Les mesures de conductivités électriques ont montré que les liquides hydratés et carbonatés sont très conducteurs, et que l’incorporation de basalte décroit la conductivité. Avec ces nouvelles données, un modèle semi-empirique calculant la conductivité en fonction des teneurs en H₂O and CO₂ a été produit. Sur la base de ce modèle et de la conductivité électrique de l’olivine, des profils 1D de conductivité ont été construits. Avec ces profils, l’effet des teneurs en volatiles (partagé entre le liquide et le solide), les fractions de liquides (loi de mélange et interconnexion du liquide) et les différents régimes de température sur la conductivité ont été discutés. Ces calculs ont été considérés en milieu océanique et continental pour différents âges. La conductivité électrique du manteau est donc un outil puissant pour suivre les processus fondamentaux de la fusion du manteau, qui est à son tour étroitement liée aux cycles de H₂O and CO₂ dans le manteau supérieur. / Electromagnetic data images mantle regions more conductive than that of dry olivine. There is no doubt that melt is thermodynamically stable and present in the asthenosphere, but how they can impact on mantle electrical conductivity remains debated. Petrological studies realized some 30 years ago have shown that peridotites exposed at the P-T-fO₂ conditions of the asthenosphere produced H₂O and CO₂ rich-melts, but electrical conductivities of these melts are poorly known. Therefore, electrical conductivity experiments have been performed in piston cylinder on H₂O-CO₂ rich melts. Different melt compositions have been explored, from carbonated melts to basalts. The effects of chemical compositions and volatiles on these melts have been determined. The electrical conductivity measurements have shown that hydrous carbonated melts are very conductive, and the incorporation of basalt decreases the conductivity. With these new data, a semi-empirical law predicting the conductivity as a function of H₂O and CO₂ contents has been produced. Based on this law and the electrical conductivity of olivine, 1D conductivity profiles were constructed. With these profiles, the effect of volatile contents (partitioned between the melt and in the solids), melt fractions (mixing law and interconnection of the melt) and different temperature regimes on conductivity are discussed. These calculations are conducted on oceanic and continental settings with different ages. The electrical conductivities of the mantle is thus a powerful tool to track the fundamental process of mantle partial melting, which is in turn narrowly associated to the cycling of H₂O and CO₂ in 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.