La zone de cisaillement de Dunraine est un couloir de déformation subvertical d'orientation ENE-OSO qui recoupe la Formation de Val d'Or (FVO) dans la partie sud-est de la Sous-province de l'Abitibi. La FVO est interprétée comme étant un massif volcanique sous-marin archéen caractérisé par des roches volcaniques et volcanoclastiques andésitiques à rhyolitiques d'affinité transitionnelle à calco-alcaline qui sont hôtes de plusieurs gisements de sulfures massifs volcanogènes. La zone de cisaillement de Dunraine contient un gîte cuprifère (i.e. gîte de Dunraine) peu étudié et dont la nature exacte est méconnue. Ce mémoire vise à clarifier le contexte géologique de mise en place du gîte de Dunraine ainsi qu'à définir l'effet de la déformation sur la minéralisation et les roches encaissantes. Le secteur de Dunraine est caractérisé par des laves massives à bréchiques et des roches volcanoclastiques de composition andésitique à rhyodacitique et d'affinité transitionnelle à calco-alcaline qui sont généralement porphyriques à feldspath et/ou quartz ainsi que par des intrusions synvolcaniques à syntectoniques mafiques à intermédiaires. Ces roches de la FVO sont en contact au sud-est du secteur étudié avec des laves de composition mafiques coussinées à massives d'affinité tholéiitique de la Formation de Héva. La minéralisation se présente sous la forme d'un horizon étroit (1-10 mètres) et latéralement étendu (plus de 2 km) de veinules et disséminations de pyrite-chalcopyrite avec localement des traces de sphalérite et d'or. Cette minéralisation est encaissée dans une série de roches volcanoclastiques dacitiques fortement altérées. L'altération de la roche encaissante forme un halo de moins de 10 mètres autour de la minéralisation. Cette altération est zonée avec 1) une partie distale séricitisée, 2) une partie médiane riche en chlorite magnésienne et 3) une partie proximale altérée en silice et en chlorite magnésienne. La présence de cordiérite dans les zones les plus altérées suggère l'existence d'une cheminée d'altération synvolcanique. De plus, la minéralisation est fortement affectée par la déformation régionale et est transposée dans le plan de schistosité principal. Plusieurs arguments permettent d'affirmer que la minéralisation s'est formée par remplacement de la roche hôte plutôt que par exhalation: 1) la minéralisation est stratoïde et se retrouve à l'intérieur d'une unique unité volcanique, 2) les épontes inférieure et supérieure de la minéralisation sont altérées et 3) des géodes de dégazage synvolcaniques contiennent de la minéralisation et indiquent une percolation des fluides minéralisateurs dans une roche déjà consolidée. L'épisode principal de déformation ductile relié à l'orogène kénoréenne (D2) affecte de manière importante les lithologies et la minéralisation du secteur de Dunraine. Un anticlinal isoclinal subvertical caractérisé par un axe de plis plongeant de 25° à 40° vers l'ouest plisse la séquence volcanique et la minéralisation. La trace axiale de ce pli passe par le centre de l'intrusion de Dunraine (diorite synvolcanique) et se poursuit dans une charnière de pli se situant dans les roches volcaniques à l'ouest du secteur de Dunraine. Une faille inverse à vergence sud, qui semble reliée à l'épisode de déformation D2, recoupe le flanc sud du pli et marque le contact inférieur de la zone 4 de la mine Dunraine. Les événements de déformation D2 tardif et D3 sont caractérisés par des mouvements dextres reliés à un événement de compression est-ouest tardif. Ces incréments de déformation n'ont par contre aucune influence notable sur la distribution de la minéralisation dans le secteur de Dunraine. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : cuivre, minéralisation synvolcanique, remplacement, cisaillement, pli, structure, Abitibi, Val d'Or.

Le gisement nickélifère latéritique de Nouvelle-Calédonie, développé au toit de la Nappe des Péridotites, représente près de 20% des ressources mondiales en nickel. Afin de mieux comprendre la formation de ce gisement, notre étude, portant sur le massif de Koniambo, se singularise par la volonté de ne pas se focaliser uniquement sur la zone minéralisée. L’approche employée a combiné : i) l’analyse de la déformation interne de l’ensemble du massif, ii) la caractérisation isotopique de deux sous-produits supposés de l’altération supergène que ont les veines de quartz et les veines de magnésite, iii) la modélisation 3D du gisement nickélifère, basée sur les données de plus de 6000 forages de subsurface et sur l’étude d’affleurements ponctuels au sein de la zone minéralisée. L’évolution spatiale et temporelle de la déformation associée à la serpentinisation est décrite au travers des ~800 m d’épaisseur structurale du massif de Koniambo. La partie supérieure du massif, très fracturée, préserve la marque d’au moins deux événements précoces de déformation. Le premier est associé au réseau de failles à antigorite et le second au réseau de failles à serpentine polygonale. La semelle serpentineuse, épaisse de ~200 m, est constituée de brèches et mylonites et enregistre un cisaillement tangentiel diffus associé à la serpentine polygonale et à la magnésite. La semelle représente ainsi un niveau de décollement majeur en base de nappe. Entre la semelle et le haut du massif, un niveau intermédiaire est identifié, caractérisé par la présence de zones de cisaillement plurimétriques probablement connectées à la semelle. La caractérisation 3D de la distribution du nickelau sein du niveau saprolitique, à l’échelle du gisement comme à l’échelle de l’affleurement, permetde mettre en évidence l’existence de processus impliquant une redistribution non pas seulement verticale, comme il est classiquement admis, mais aussi latérale, mécanique ou associée à des fluides, à l’origine d’importants enrichissements locaux. L’analyse isotopique des veines de quartz associées au minerai garniéritique met en évidence les conditions d’hydrothermalisme de basse température associées à leur formation. La caractérisation structurale et isotopique (couplage ''isotopes stables'' et ''clumped isotope thermometry'') des veines de magnésite situées dans la semelle serpentineuse permet de documenter leur caractère syn-tectonique et la nature météorique et de basse température du fluide dont elles sont issues. Ceci nous amène à proposer que la tectonique active a pu faciliter l’infiltration de l’eau météorique impliquée dans le processus de latérisation depuis le sommet jusqu’à la base de la nappe. / The New Caledonia nickel laterite ore deposit, developed at the top of the Peridotite Nappe, hosts about 20% of the nickel resources worldwide. In order to better understand the formation of this eposit, our study, focusing on the Koniambo Massif, is not restricted to the ore zone but concerned with the whole peridotite pile. Our approach combined: i) the analysis of the internal deformation of the massif, ii) the isotopic characterization of quartz and magnesite veins which are suspected to represent by-products of the laterization process, iii) the 3D modelling of the lateritenickel ore deposit, based on a dataset of ~6000 subsurface boreholes and the study of some outcrops located into the mineralized area. The spatial and temporal evolution of the deformation associated with serpentinization is described across the ~800 m-thick rock pile of the Koniambo Massif. The upper part of the massif is densely faulted and preserves the record of two early deformation events. The first one is associated with synantigorite faults and the second one with syn-polygonal serpentine faults. The ~200m-thick serpentine sole is composed of breccias and mylonites and records pervasive tangential shearing associated with polygonal serpentine and magnesite. Thus, the serpentine sole represents a major décollement at the base of the nappe. Between the sole and the upper part of the massif, anintermediate structural level is identified, characterized by the presence of plurimetric shear zones that probably merge with the sole.The 3D characterization of the nickel distribution in the saprolite level, at both deposit and outcrop scales, gives evidence for processes implying not only vertical (as commonly assumed) but also lateral nickel redistribution. This lateral transport ismechanical or associated with fluids and leads to significant local enrichments. The isotopic characterization of the quartz veins associated with garnieritic ore shows that they formed under low temperature hydrothermal conditions. The structural and isotopic (coupling “stable isotope” and “clumped isotope thermometry”) characterization of the magnesite veins located at the serpentine sole shows that they are syn-tectonic and derived from low temperature meteoric water. As a result, we propose that active tectonics has enhanced the infiltration of the meteoric waters involved in the laterization process down to the base of the nappe.

Les séismes le long de grandes failles crustales représentent un danger énorme pour de nombreuses populations. Le mécanique de ces failles est influencé par des zones endommagées qui entourent le coeur de faille. La fracturation dans ces zones contrôle chaque étape du cycle sismique. En effet, cette zone contrôle la mécanique de la rupture sismique, elle est un conduit pour les fluides, réagit chimiquement sous l'effet de fluides réactifs, et facilite la déformation pendant les périodes post- et inter-sismiques. Dans cette thèse de doctorat, des expériences de laboratoire ont été réalisées pour mieux comprendre 1) la façon dont l'endommagement est généré pendant le chargement transitoire co-sismique, 2) comment l'endommagement permet de mieux contraindre le chargement co-sismique le long de grandes failles, et iii) comment les fractures peuvent se cicatriser au fil du temps et contrôler l'évolution de la perméabilité et de la résistance mécanique de la faille.L'introduction de la thèse propose une revue critique de la littérature sur la génération de dommages co-sismiques et en particulier sur la formation des roches pulvérisées. Le potentiel de ces roches comme marqueur des déformations co-sismiques est discuté. Bien que ces roches pulvérisées soient prometteuses pour ces aspects, plusieurs questions restent ouvertes.L'une de ces questions concerne les conditions de chargement transitoire nécessaires pour atteindre la pulvérisation. Le seuil de taux de deformation pour atteindre la pulvérisation peut être réduit par des endommagemments progressifs, au cours de ruptures sismiques successives. Des barres de Hopkinson ont été utilisées pour effectuer des chargements dynamique successifs d'une roche cristalline (monzonite). Les résultats montrent que le seuil pour atteindre la pulvérisation est réduit d'au moins 50% lorsque des chargements successives sont imposés. Cette thèse discute aussi pourquoi les roches pulvérisées sont presque toujours observées dans des roches cristallines et peu dans des roches sédimentaires poreuses. Pour comprendre cette observation, des expériences à haute vitesse de déformation ont été effectuées sur des grès de Rothbach. Les résultats montrent que la pulvérisation des grains eux mêmes ne se produit pas dans les grès. L'endommagement reste se produit principalement à une échelle supérieure à celle grains, et des bandes de compaction sont observées. La compétition entre l'endommagement inter- et intra-granulaire est expliquée par les paramètres microstructuraux en combinant deux modèles micromécaniques classiques. Les microstructures observées dans les grès peuvent se former dans le régime quasi-statiques et aussi dans le régime dynamique. Par conséquent, il est recommandée d'être prudent lors de l'interprétation du mécanisme de deformation dans les roches sédimentaires proches de la surface. La dernière question abordée durant la thèse est la cicatrisation post-sismique de fractures co-sismiques. Des expériences ont été réalisées pour cicatriser des fissures par précipitation de calcite. Le but est l'étude du couplage entre l'augmentation de résistance mécanique de la roche fissurée et l'évolution de la perméabilité. Les échantillons fracturées ont été soumis à des conditions de pression et températures similaires de la croûte supérieure et à une percolation d'un fluide sursaturé en calcite pendant plusieurs mois. Ce couplage non-existe dans les premières étapes de la cicatrisation. Il est révélé par l'imagerie par tomographie aux rayons X que le scellement naissant des fractures se produit dans les porosités situées en aval de barrières d'écoulement, et donc dans des régions qui ne touchent pas les principales voies d'écoulement du fluide. Le découplage entre l'augmentation de résistance de la roche et la perméabilité suggère que les zones d'endommagement peu profondes dans les failles actives peuvent rester des conduits actifs pour les fluides plusieurs années après un séisme. / Earthquakes along large crustal scale faults are a huge hazard threatening large populations. The behavior of such faults is influenced by the fault damage zone that surrounds the fault core. Fracture damage in such fault damage zones influences each stage of the seismic cycle. The damage zone influences rupture mechanics, behaves as a fluid conduit to release pressurized fluids at depth or to give access to reactive fluids to alter the fault core, and facilitates strain during post- and interseismic periods. Also, it acts as an energy sink for earthquake energy. Here, laboratory experiments were performed to come to a better understanding of how this fracture damage is formed during coseismic transient loading, what this fracture damage can tell us about the earthquake rupture conditions along large faults, and how fracture damage is annihilated over time.First, coseismic damage generation, and specifically the formation of pulverized fault damage zone rock, is reviewed. The potential of these pulverized rocks as a coseismic marker for rupture mechanisms is discussed. Although these rocks are promising in that aspect, several open questions remain.One of these open questions is if the transient loading conditions needed for pulverization can be reduced by progressively damaging during many seismic events. The successive high strain rate loadings performed on quartz monzonites using a split Hopkinson pressure bar reveal that indeed the pulverization strain rate threshold is reduced by at least 50%.Another open question is why pulverized rocks are almost always observed in crystalline lithologies and not in more porous rock, even when crystalline and porous rocks are juxtaposed by a fault. To study this observation, high strain rate experiments were performed on porous Rothbach sandstone. The results show that pervasive pulverization below the grain scale, such as observed in crystalline rock, does not occur in the sandstone samples for the explored strain rate range (60-150 s-1). Damage is mainly occurs at a scale superior to that of the scale of the grains, with intragranular deformation occurring only in weaker regions where compaction bands are formed. The competition between inter- and intragranular damage during dynamic loading is explained with the geometric parameters of the rock in combination with two classic micromechanical models: the Hertzian contact model and the pore-emanated crack model. In conclusion, the observed microstructures can form in both quasi-static and dynamic loading regimes. Therefore caution is advised when interpreting the mechanism responsible for near-fault damage in sedimentary rock near the surface. Moreover, the results suggest that different responses of different lithologies to transient loading are responsible for sub-surface damage zone asymmetry.Finally, post-seismic annihilation of coseismic damage by calcite assisted fracture sealing has been studied in experiments, so that the coupling between strengthening and permeability of the fracture network could be studied. A sample-scale fracture network was introduced in quartz monzonite samples, followed exposure to upper crustal conditions and percolation of a fluid saturated with calcite for several months. A large recovery of up to 50% of the initial P-wave velocity drop has been observed after the sealing experiment. In contrast, the permeability remained more or less constant for the duration of the experiment. This lack of coupling between strengthening and permeability in the first stages of sealing is explained by X-ray computed micro tomography. Incipient sealing in the fracture spaces occurs downstream of flow barriers, thus in regions that do not affect the main fluid flow pathways. The decoupling of strength recovery and permeability suggests that shallow fault damage zones can remain fluid conduits for years after a seismic event, leading to significant transformations of the core and the damage zone of faults with time.

Cette thèse est une étude de la naissance des zones de cisaillement. La modélisation théorique de leur amplification permet de définir les trois paramètres influençant leur développement : la déformation globale du matériau, l'hétérogénéité initiant la zone de cisaillement, et l'instabilité rhéologique du matériau. Les simulations numériques fondées* sur la méthode des éléments finis quantifient ces trois paramètres. Différents cas d'instabilité ont été traités : amollissement avec la déformation, anisotropie et échauffement lié à la déformation. Enfin, l'étude de la propagation d'une zone de cisaillement permet de préciser une relation entre sa largeur, sa vitesse de propagation et la rhéologie de la roche.

La perméabilité est une propriété essentielle notamment pour déterminer la nature explosive des volcans, ainsi que pour de nombreuses autres applications scientifiques et industrielles dans les environnements où l'écoulement du fluide est une préoccupation majeure. Combinant des méthodes expérimentales de déformation des roches en laboratoire, des approches de terrain, de la modélisation numérique, et des analyses systématiques de microstructure, ce travail a mis en évidence le caractère complexe de la formation et la destruction des réseaux poreux dans le magma et des roches volcaniques. La compétition entre les processus dilatants (qui augmentent la porosité) et compactants (qui la diminuent) exerce une influence sur les propriétés de transport des fluides à la fois dans le magma et dans la roche volcanique solidifiée. Ces processus incluent la vésiculation et la croissance des bulles dans le conduit, la rupture et la compression du magma, la fracturation issue du refroidissement et fracturation induite par le transport, ainsi que la déformation pendant ou après la mise en place des matériaux, et la densification par frittage. / The permeability of various volcanic materials is an essential parameter governing the explosive behaviour of volcanic systems, as well as being important in many other scientific and industrial applications in environments where fluid flow is a major concern. Combining experimental rock deformation methods with field measurements, numerical modelling, and systematic analyses of rock microstructure, this work explores the complexities involved in the formation and destruction of porous networks in magma and volcanic rocks, addressing how permeability can evolve in volcanic systems. Competition between dilatant processes (which increase porosity) and compactant processes (which decrease porosity) influences the fluid transport properties both in the conduit-dwelling magma and in solidified edifice rock. These processes include (but are not limited to) vesiculation and bubble growth in the conduit, fracture and compaction of magma, post-emplacement thermal or mechanical fracturing, strain-induced deformation, and viscous sintering.