Nous étudions dans ce travail la modélisation de la cristallisation d'une chambre magmatique fermée. Le modèle physique et mathématique couple trois phénomènes élémentaires : solidification, sédimentation et réactions chimiques entre solide et liquide magmatique. L'adimensionnement des équations aux dérivées partielles permet de faire apparaître deux paramètres exprimant les ratios respectifs de la vitesse de solidification sur la vitesse de déplacement et de la cinétique d'échange chimique sur la vitesse de déplacement. La vitesse de déplacement relatif entre le solide et le liquide, la vitesse de solidification et la loi de partage à l'équilibre sont supposées connues ; la loi d'équilibre chimique peut être non linéaire et s'appliquer aux éléments majeurs. Le modèle est écrit pour un constituant chimique. Il est scindé en deux sous modèles, celui de la cristallisation/sédimentation et celui du transport réactif. Le premier est exprimé par une équation de nature hyperbolique et est résolu par un schéma à trois points, le second est résolu par des schémas décentrés. Le code de calcul est écrit en langage Fortran 90, il est ensuite validé par des méthodes théoriques telles que la méthode des courbes caractéristiques, par des calculs analytiques ou par des considérations qualitatives. Les simulations numériques montrent que, pour certaines valeurs des paramètres adimensionnés et pour certaines formes de la loi d'équilibre chimique, la composition chimique de la chambre peut présenter une répartition non uniforme des compositions, en particulier bimodale (deux valeurs des concentrations sont privilégiées), à partir de conditions initiales homogènes. Le degré de cette bimodalité dépend notamment de la forme de la loi de partage à l'équilibre. Ce modèle fournit un cadre intellectuel pour discuter les phénomènes responsables de la variété de compositions des roches magmatiques, notamment dans une même province. Il montre en particulier que le couplage entre trois phénomènes élémentaires suffit à rendre compte de la bimodalité ou plus généralement de l'apparition de discontinuités de composition, sans faire intervenir de phénomène additionnel.

L'influence de la présence de liquide sur les propriétés sismiques des systèmes partiellement fondus, ici les chambres magmatiques des dorsales océaniques et les panaches mantelliques, est mal contrainte. Cette étude apporte de nouvelles observations sismologiques sur l'anisotropie sismique sous la Polynésie française et les Galápagos. Les mesures du déphasage des ondes SKS et l'analyse de la polarisation des ondes P en Polynésie française montrent la participation de deux contributions: asthénosphérique et lithosphérique. La présence de liquide dans le manteau supérieur sous l'archipel des Galápagos pourrait se traduire par une absence d'anisotropie au centre de l'archipel. Les mesures d'atténuation des ondes ScS multiples confirment l'existence d'une zone plus atténuée au niveau de la Polynésie française que dans le reste du Pacifique sud. En outre, des mesures d'atténuation ont été réalisées dans des gabbronorites partiellement fondues aux fréquences sismiques, entre 500 et 1200°C. Au-dessus de la température de fusion, l'atténuation augmente significativement avec une dépendance plus forte à la fréquence. Il est montré que le mécanisme d'atténuation associé à l'écoulement localisé de liquide pourrait se superposer à un mécanisme d'atténuation associé à une diffusion au niveau des joints de grains. D'autre part, de nouvelles mesures expérimentales de la viscosité de deux silicates basaltiques et d'un silicate andésitique ont été effectuées. Des lois expérimentales de fluage décrivant les variations de viscosité dans une large gamme de températures sont proposées, ainsi que les paramètres thermodynamiques des échantillons analysés.

Les études présentées dans ce mémoire ont permis de cerner, à partir des caractéristiques géochimiques et pétrographiques des laves émises en contexte d'accrétion océanique, l'évolution temporelle du fonctionnement des réservoirs magmatiques et de la fusion partielle du manteau supérieur à l'axe des dorsales océaniques. En l'absence de datations absolues fiables sur les laves étudiées, la chronologie relative entre les échantillons a été approchée par des méthodes complémentaires, basées sur les relations géographiques et stratigraphiques des échantillons.<br /><br /> Dans un premier temps, un modèle géomathématique a été élaboré afin de retracer l'évolution d'une chambre magmatique soumise à une réalimentation fluctuant de manière sinusoïdale au cours du temps. L'application de ce modèle à un site naturel nécessite de contraindre l'amplitude des variations chimiques des laves par un échantillonnage de qualité ainsi que d'autres paramètres géologiques, impliquant quant à eux de nombreuses hypothèses sur la géométrie et l'état physico-thermique du réservoir magmatique. L'approche géochimique de ce modèle a été appliquée à trois sites naturels, la dorsale Est Pacifique (EPR), le propagateur du Bassin Nord Fidjien et la dorsale Juan de Fuca (JdF). Par deux fois, les compositions en éléments en trace incompatibles des liquides de réalimentation déduites du modèle géomathématique ont reproduit celles calculées sur des bases expérimentales. Pour deux des sites (EPR et JdF), les périodes des cycles de fonctionnement du réservoir magmatique ont également pu être déterminées (750 et 1000 ans pour l'EPR et la dorsale JdF, respectivement). Ce modèle géomathématique permet ainsi de caractériser les flux instantanés de magma au sein des réservoirs et complète les études géomorphologiques et géophysiques estimant quant à elles la périodicité de l'apport magmatique moyen, du manteau vers la croûte.<br /><br /> La seconde partie du mémoire porte sur les dykes et les coulées volcaniques affleurant à l'extrémité sud de la dorsale JdF, le long des flancs de la Dépression Ouest Blanco. Les compositions isotopiques Sr-Nd des échantillons ont permis de caractériser un manteau hétérogène sous la zone de fracture Blanco, constitué de péridotites très appauvries, proches d'un pôle mantellique pur, veinées de matériel plus enrichi. Le régime cinématique de cette zone, évoluant de la propagation à l'accrétion, semble avoir permis la refusion à l'axe de la dorsale JdF d'un manteau résiduel, ayant préalablement fondu sous un segment en propagation. Parallèlement, l'analyse des zonations des phénocristaux et xénocristaux de plagioclase a mis en évidence des phénomènes de mélange entre des magmas dacitiques riches en eau et des magmas basaltiques. Les fluctuations de l'indice de différenciation Mg# en fonction de la position stratigraphique de laves cogénétiques ont permis d'expliquer ces mélanges en terme de réalimentation épisodique du réservoir magmatique. L'application du modèle géomathématique suggère que le magma réalimentant le réservoir correspondrait à un MORB-N basaltique (Mg#~68,5).<br /><br /> Dans le troisième volet, les laves étudiées ont été prélevées transversalement à l'axe de la dorsale Centrale Indienne vers 19°S, une zone cinématiquement complexe de part la possible contamination du manteau supérieur indien par le point chaud de la Réunion à ces latitudes. Les compositions isotopiques Sr-Nd des laves ont mis en évidence une fluctuation significative de la nature de la source mantellique au cours du temps. Certaines compositions convergent vers celles des basaltes de la ride volcanique hors-axe Gasitao et reflèteraient ainsi une interaction entre le point chaud de la Réunion et la dorsale. Néanmoins, une telle interaction ne pourra être confirmée qu'après l'acquisition des compositions isotopiques en plomb de ces échantillons. La majorité des rapports isotopiques Sr-Nd des laves du profil nécessite cependant de considérer un composant mantellique enrichi additionnel, dont la nature reste à contraindre mais qui s'exprimerait également au niveau de l'île volcanique Rodrigues. Par ailleurs, afin de reproduire l'enrichissement en éléments incompatibles de certains de ces échantillons il est nécessaire d'envisager une covariation du degré de fusion et de la nature de la source. La distribution des laves enrichies le long du profil suggère alors une fluctuation du degré de fusion au cours du temps, à première vue périodique (période de 200-250 Ka).

L'étude des volcans basaltiques a démontré l'importance de leur architecture interne et de leur système intrusif dans le déclenchement de déstabilisations. Découlant d'observations indirectes, les modèles élaborés demeurent néanmoins interprétatifs. À La Réunion, l'importante érosion du Piton des Neiges, en rendant accessible sa structure interne, en fait un atout majeur pour combler ces lacunes d'observation. Ce travail s'est focalisé sur le cirque de Salazie dans le but d'accroitre les connaissances de la structure interne du volcan. Nous proposons ainsi l'existence d'une chambre magmatique litée plurikilométrique située à l'aplomb du cirque de Salazie qui appartiendrait à un édifice plus ancien estimé à plus de 2 Ma. Cette chambre est recoupée par un détachement injecté de plusieurs dizaines d'intrusions basiques et surmonté par une brèche d'avalanche de débris. La déformation cataclasique des minéraux primaires des roches plutoniques du détachement indique que cette structure s'est développée dans le domaine fragile. Une déformation ductile postérieure de basse température (< 250 °C), caractérisé par une cristallisation de chlorite, pumpellyite, zéolite et de calcite s'est ensuite développée dans le détachement. Au toit de la pile de sills, des intrusions sont brèchifiés et disséminés dans la brèche. Une analyse du sill au contact avec la brèche montre l'existence d'une fabrique magmatique asymétrique révélatrice d'un déplacement co-intrusif de l'unité sus-jacente. Ces résultats suggèrent que les volcans basaltiques s'effondrent par déformation le long de plans hydrothermalisés et confirment le rôle majeur des sills dans la déstabilisation des volcans boucliers. / The study of volcanic edifices has shown that both the internal structure and the intrusive system play a role in the initiation of flank destabilization. Arising from indirect observations, the recent models remain interpretative. On Reunion Island, the exceptional erosion of the Piton des Neiges provides a rare access to the inner structure of the basaltic edifice that is propitious to bridge these gaps. Our study focuses on the plutonic rocks outcropping in Mât River (cirque of Salazie) in order to improve our knowledge of the internal structure of Piton des Neiges. Our study allows us to reveal the presence of layered plurikilometric magma chamber under the cirque of Salazie belonging to an edifice older to 2 Ma located to the NNE from the actual summit of the Piton des Neiges. The magma chamber is crosscut by a detachment intruded by tens of basic magmatic intrusions and overlapped by debris avalanche deposits. The cataclastic deformation of primary minerals in the plutonic rocks indicates that the detachment acted as a brittle zone. This is followed by a low temperature ductile deformation (< 250 °C) characterized by crystallization of chlorite, pumpellyite, zeolite and calcite in the detachment zone. At the top of the sill zone, sills are brechified and disseminated in the breccia. The presence of an asymmetric magmatic fabric in the intrusion in contact with the breccia suggests that this sill was emplaced with a normal shear displacement of its hanging wall. These results suggest that deformation of basaltic volcanoes proceeds along hydrothermalized detachments and confirm the major implication of sill intrusions in basaltic volcano flank instability.

Ce travail repose sur (1) une étude de terrain des cumulats lités de l'ophiolite d'Oman, notamment dans plusieurs massifs où cette unité restait largement inexplorée, (2) une étude pétrographique et géochimique (microsonde électronique et LA-ICP-MS) d'environ 700 échantillons et (3) une simulation en laboratoire de la cristallisation de magmas boninitiques en présence d'eau. La cinquantaine de faciès pétrographiques définie, gabbroïques et ultrabasiques, est indispensable pour décrire rigoureusement la croûte profonde omanaise. Cette variété lithologique est révélatrice de la très grande variabilité des paramètres intensifs (P, T°, PH2O ...) et extensifs (composition) lors de la cristallisation des magmas au sein des chambres magmatiques à l'aplomb d'un centre d'expansion océanique. L'orthopyroxène précoce dans les cumulats primitifs (XMg > 80 %) est beaucoup plus commun que ce qui était proposé jusqu'à présent, ce qui remet en cause certaines idées reçues concernant l'origine de l'ophiolite. Je démontre que cette variété lithologique, l'abondance d'orthopyroxène, et d'autres caractéristiques pétrographiques et géochimiques des cumulats d'Oman s'expliquent par le mélange, dans des proportions variables, de deux principaux magmas : un d'affinité tholéiitique issu de la fusion d'une source asthénosphérique " N-MORB ", et un d'affinité andésitique à boninitique issu de la fusion hydratée d'une source lithosphérique déprimée. Ces deux magmas ont circulé dans des chenaux mantelliques (" filons ") avant d'alimenter les chambres. Le rôle de " mélangeur " des chambres magmatiques est ainsi confirmé. La contribution relative de ces deux magmas évolue au cours de l'ascension de diapirs asthénosphériques dans la lithosphère. Des variations abruptes de la pression partielle d'eau sont également indispensables pour rendre compte de l'ensemble de mes observations. Je montre aussi que les failles syn-accrétions, dont l'importance en Oman restait largement sousévaluée, sont un vecteur principal de la pénétration de fluides hydrothermaux jusque dans la croûte profonde en cours de cristallisation. Mon étude me permet également de mieux contraindre l'origine, encore très discutée, des intrusions " wehrlitiques " et de la zone de transition dunitique.