Sous le Chili central et l’ouest de l'Argentine (29°-35°S), la plaque océanique Nazca, en subduction sous la plaque continentale Amérique du Sud, change radicalement de géométrie : inclinée à 30°, puis horizontale, engendrée par la subduction de la chaine de volcans de Juan Fernandez. Le but de mon étude est d'évaluer, la variation de nature et de propriétés physiques de la lithosphère chevauchante entre ces deux régions afin de mieux comprendre (1) sa structure profonde et (2) les liens entre les déformations observées en surface et en profondeur. Pour répondre à cette thématique, j’utilise une approche originale couplant la sismologie, la thermométrie, et la pétrologie. Je montre ainsi des images 3-D de tomographie sismique les plus complètes de cette région par rapport aux études précédentes, qui intègrent (1) de nombreuses données sismiques provenant de plusieurs catalogues, (2) un réseau de stations sismiques plus dense permettant de mieux imager la zone de subduction. J’apporte la preuve que la plaque en subduction se déshydrate dans deux régions distinctes : (1) le coin mantellique, et (2) le long de la ride subduite avant que celle-ci ne replonge plus profondément dans le manteau. La croûte continentale au-dessus du flat slab possède des propriétés sismiques très hétérogènes en relation avec des structures de déformation profondes et des domaines géologiques spécifiques. La croûte chevauchante d’avant-arc, au-dessus du flat slab, est décrite par des propriétés sismiques inhabituelles, liées à la géométrie particulière du slab en profondeur, et/ou liées aux effets du séisme de 1997 de Punitaqui (Mw 7.1). Mes résultats, confirmant les études antérieures, montrent que : - le bloc Cuyania situé plus à l’est, dans la zone d’arrière-arc est plus mafique et contient une croûte inférieure éclogitisée ; quant à, la croûte continentale inférieure sous l’arc Andin, est épaisse et non-éclogitisée, décrivant surement le bloc felsique de Chilenia. / Beneath central Chile and western Argentina, the oceanic Nazca slab drastically changes geometry from horizontal to dipping at an angle of 30°, and correlates with the subduction of the Juan Fernandez seamount ridge. The aim of our study is to assess, using a thermo-petrological-seismological approach, the differences of the overriding lithosphere between these two regions, in order to better understand the deep structure of the continental lithosphere above the flat slab, and the links between the deformations at the surface and at depth. We show the most complete regional 3-D seismic tomography images of this region, whereby, in comparison to previous studies, we use (1) a much larger seismic dataset compiled from several short-term seismic catalogs, (2) a much denser seismic station network which enables us to resolve better the subduction zone. We show significant seismic differences between the flat and normal subduction zones. As expected, the flat slab region is impacted by colder temperatures, and therefore by faster seismic velocities and more intense seismic activity, compared to the normal slab region. We show evidence that the flat slab dehydrates within the mantle wedge, but also along the subducting ridge prior to re-subducting. The forearc crust above the flat slab is described by unusual seismic properties, correlated to the slab geometry at depth, and/or, to the aftershock effects of the 1997 Mw 7.1 Punitaqui earthquake which occurred two years before the recording of our events. The continental crust above the flat slab has very heterogeneous seismic properties which correlate with important deformation structures and geological terranes at the surface. We confirm previous studies that have shown that the thick lower crust of the present day Andean arc is non-eclogitized and maybe representing the felsic Chilenia terrane, whereas to the east, the Cuyania terrane in the backarc is more mafic and contains an eclogitized lower crust.