Les zones de subduction représentent des zones d'évolution clés dans la compréhension des processus géologiques majeurs actifs sur notre planète. En particulier, la caractérisation et l'évolution des magmas générés dans les zones d'arcs océaniques et la relation entre leur genèse et les processus de croissance crustale sont des axes primordiaux. Cette étude est focalisée sur la portion d'arc océanique exhumée du Kohistan (Nord Pakistan) qui constitue un laboratoire exceptionnel pour appréhender cette problématique. Basée sur une approche géochimique multi-méthodes (éléments majeurs et en trace, isotopes), cette étude a permis d'établir : 1/ l'absence de relation génétique directe entre les roches ultrabasiques de la racine de l'arc et la section crustale sus-jacente. La formation de la séquence ultrabasique de Jijal se produit à ~117 Ma via une réaction de type magma-roche entre des liquides de type boninitique (appauvris en terres rares), et le manteau lithosphérique de type MORB-Indien ; 2/ un modèle géodynamique en trois stades majeurs résumant l'évolution de l'arc océanique et de la subduction sur une période d'environ 30 Ma. Ce modèle débute par l'initiation de la subduction et la formation de l'arc volcanique s.s. (1er stade) ; le 2ème stade correspond à un évènement thermique majeur. Il est représenté par un sous-placage important de magmas et une granulitisation intense de la base de l'arc. Le recyclage de la croûte inférieure cumulative et résiduelle, dans le manteau sous-jacent, se produit durant cette étape vraisemblablement suite à des processus d'érosion thermo-mécanique. Le dernier stade, entre 95 Ma et 85 Ma, scelle la fin du fonctionnement de la zone de subduction et correspond à une période amagmatique suivie par une brève reprise du magmatisme avant la collision de l'arc après 85 Ma. Enfin, une modélisation numérique comparative avec la croûte continentale globale met en évidence la composition significativement plus basique de la croûte de l'arc insulaire du Kohistan. De fortes similitudes sont en revanche observées entre la section d'arc étudiée et la croûte continentale inférieure.

La composition chimique de la croûte continentale a significativement évolué à la transition Archéen-Protérozoïque (3000–2500 Ma), témoignant de changements géodynamiques majeurs à cette époque. Afin d’étudier l’expression et les origines de ces changements, qui sont encore mal contraints, j’ai étudié une diversité de granitoïdes qui se sont mis en place dans cette gamme d’âges à la marge Nord du craton du Kaapvaal, en Afrique du Sud. Ce travail a permis de préciser la typologie et l’origine des granitoïdes tardi-archéens ; ceux-ci peuvent être classés dans trois grands groupes : (1) Les sanukitoïdes, représentés en Afrique du Sud par le pluton de Bulai, sont des magmas dérivant de l’interaction entre une péridotite mantellique et un composant riche en éléments incompatibles (TTG, liquide issu de la fusion de sédiments, et, plus rarement, fluide aqueux). Les sanukitoïdes peuvent être classés en deux groupes distincts, selon les mécanismes de cette hybridation : les low-Ti sanukitoids proviennent d’une simple hybridation du liquide silicaté avec la péridotite, alors que les high-Ti sanukitoids sont issus de la fusion d’un assemblage métasomatique à amphibole et phlogopite, résultant de ces interactions. Enfin, les mécanismes de différenciation des suites sanukitoïdes au niveau de la croûte sont contrôlées par des mécanismes de cristallisation fractionnée ou (moins vraisemblablement) de fusion partielle. (2) Les sanukitoïdes « marginaux », représentés dans le craton du Kaapvaal par les plutons de Mashashane, Matlala, Matok et Moletsi, sont des granitoïdes résultant de l’interaction entre des sanukitoïdes et des magmas provenant de la fusion de croûte préexistante. Etant donné la large gamme de sources possibles (TTG, métasédiments, roches mafiques) d’un craton à l’autre, ce groupe est extrêmement diversifié. Leurs mécanismes de différenciation sont contrôlés par la cristallisation fractionnée. (3) Certains granites, tels que le batholite de Turfloop en Afrique du Sud, sont directement issus de la fusion de lithologies crustales (TTG, métasédiments et amphibolites). Au sein du craton du Kaapvaal, l’évolution spatio-temporelle du magmatisme tardi-archéen suit un schéma très caractéristique : les TTG se mettent en place entre ~3300 et ~2800 Ma, puis laissent la place à la genèse de l’ensemble des granitoïdes présentés ci-dessus, qui se déroule entre 2780 et 2590 Ma. Cette séquence d’évènements est reproduite au sein de tous les cratons du monde à la fin de l’Archéen. Elle témoigne de l’avènement des processus de recyclage crustal, puisque, par opposition aux TTG archéennes qui dérivent de métabasaltes juvéniles, les magmas tardi-archéens sont issus à la fois de la différenciation intracrustale et de l’interaction entre une péridotite et du matériel continental introduit dans le manteau. Cette dualité de processus pétrogénétiques est aussi très typique des épisodes magmatiques qui ont lieu à la fin des cycles de subduction-collision post-archéens. Ainsi, l’évolution de la composition des granitoïdes entre 3000 et 2500 Ma traduit vraisemblablement l’initiation d’une forme de tectonique des plaques proche du régime actuel. Celle-ci serait liée au refroidissement planétaire global, qui a probablement entraîné un « effet de seuil » dans l’évolution de l’épaisseur de la croûte océanique ainsi que la rhéologie et le volume de la croûte continentale, permettant ainsi à la subduction et à la collision de ne devenir thermo-mécaniquement stables qu’à partir de la fin de l’Archéen. / The chemical composition of continental crust significantly evolved though time, in particular at the Archaean-Proterozoic transition (3000–2500 Ma), which witnesses major geodynamic changes at that time. The nature and origin of these changes are poorly constrained so far. To better constrain them, I studied a range of granitoid emplaced at that time at the northern margin of the Kaapvaal Craton, in South Africa. In the light of my work, the typology and origin of this magmatism has been reappraised; in particular, the late-archaean granitoids can be split in three different groups : (1) Sanukitoids are represented in South Africa by the Bulai pluton. They are hybrid magmas derived from interaction between mantle peridotite and a component rich in incompatible elements (generally a melt derived from either metabasalts or metasediments). They can be separated in two groups, depending on the hybridation process: low-Ti sanukitoids derive from one-step interaction of silicate melt with peridotite, while high-Ti sanukitoids result from melting of a metasomatic, amphibole- and phlogopite-bearing assemblage equilibrated during the interactions. Finally, the differentiation mechanisms of sanukitoid suites at crustal levels are mainly controlled by fractional crystallization or, less likely, partial melting. (2) « Marginal » sanukitoids, as represented in the Kaapvaal craton by Mashashane, Matlala, Matok and Moletsi plutons, are produced by interactions between sanukitoids and crust-derived melts. Because the source of the latter can be very different from a craton to another, this group of granitoids is extremely diverse. Their magmatic evolution is mostly controlled by fractional crystallization, such as sanukitoids. (3) Some granites, such as those from the Turfloop batholith in South Africa, directly derive from melting of older crustallithologies (TTGs, metasediments, mafic rocks). The evolution of late-archaean magmatism in the Kaapvaal craton follows a very typical sequence: genesis of TTG took place between ~3300 and ~2800 Ma, and give way to the emplacement of all granitoid types presented above, which occurs in a short time span between 2780 and 2590 Ma. This succession of events is identical within every craton worldwide at the end of the Archaean. It witnesses the advent of crust recycling processes, as late-archaean magmas derive from both intracrustal differentiation and interactions between peridotite and continental material introduced within the mantle. This sharply contrasts with the genesis of TTG through melting of juvenile metabasalts only. This duality of petrogenetic processes is also typical of magmatic events in late- to post-orogenic settings, at the end of present-day subduction-collision cycles. As a result, the evolution of the crust composition between 3000 and 2500 Ma likely reflects the initiation of modernstyle plate tectonics. This would be the consequence of global cooling of Earth, which has induced a threshold effect in parameters such as (1) the thickness of oceanic crust and (2) the rheology and volume of continental crust. Indeed, these parameters exert a primary control on the thermo-mechanical stability of subduction and collision, and both became possible at the end of the Archaean only.

Le massif du Mayo Kebbi au sud-ouest du Tchad est localisé entre le craton du Congo au Sud, le craton Ouest Africain à l'Ouest et le Métacraton du Sahara à l'Est. Formé au cours de l'orogenèse panafricaine, entre 800 et 570 Ma, il est constitué de deux ceintures de roches vertes (Zalbi et Goueygoudoum), trois complexes magmatiques (Chutes Gauthiot, Léré et Figuil) et des intrusions post-tectoniques distingués sur la base de leurs caractères structuraux, pétrologiques, géochimiques et géochronologiques. L'évolution géodynamique de ce massif comprend les phases suivantes:Phase 1: Mise en place d'un complexe mafique et intermédiaire (CMI) dont la métadiorite de Boloro datée à 748 ± 4 Ma (U-Pb sur zircon). Cette métadiorite, riche en terres rares, se caractérise par LaN/YbN ~ 12, Sr/Y > 32, teneurs en LILE, Cr, Ni élevées et des anomalies négatives en Nb-Ta. Ces caractéristiques sont attribuées à la fusion partielle de la plaque océanique plongeante et interaction des magmas produits avec le coin mantellique au cours de leur ascension.Phase 2: Mise en place des métagabbros et métabasaltes (700 ± 10 Ma: U-Pb sur zircon) de la série métavolcano-sédimentaire de Zalbi. Ces roches sont caractérisées par un découplage LILE/HFSE, des anomalies négatives en Nb-Ta et des rapports LaN/YbN indiquant un fractionnement faible à modéré des terres rares. En particulier, leurs caractères géochimiques sont similaires à ceux des bassins arrière-arcs modernes. La signature isotopique en Sr et Nd de ces roches exclut toute contamination par une croûte continentale ancienne au moment de leur mise en place. CMI et série métavolcano-sédimentaires, regroupés dans le cadre des ceintures de roches vertes, représentent ainsi une accrétion juvénile en contextes d'arc insulaire/bassin arrière-arc.Phase 3: La métadiorite quartzique syntectonique du complexe magmatique des chutes Gauthiot (665 ± 1 Ma: âge U-Pb sur zircon, Penaye et al., 2006) correspond à la mise en place de magmas contemporains d'une première collision, qui implique le massif du Mayo Kebbi et le bloc rigide de l'Adamaoua-Yadé à l'Est. Cet évènement marque le début de la fermeture du bassin arrière-arc de Zalbi et d'un épaississement crustal.Phase 4 : L'épaississement est responsable de la différentiation intracrustale par fusion partielle des roches accrétées au cours des phases précédentes à la base de l'arc. Pendant cette phase se mettent en place des magmas tonalitiques, dont la tonalite à hornblende-biotite de Guegou (complexe magmatique de Léré) datée à 647 ± 5 Ma (U-Pb sur zircon). Les magmas produits ont des caractères de magmas TTG et laissent un résidu à grenat à la base de la croûte continentale.Phase 5: La tonalite syntectonique du complexe magmatique de Figuil, datée à 618 ± 6 Ma (U-Pb sur zircon), se distingue par eNd initial = -3 et 87Sr/86Sr initial = 0,7073. Les signatures isotopiques de cette tonalite démontrent l'implication dans le magmatisme d'une croûte Pré-Néoprotérozoïque. Elle est contemporaine d'une deuxième collision qui fait intervenir le massif du Mayo Kebbi et le domaine Occidental de la Ceinture Orogénique d'Afrique Centrale.Phase 6: La mise en place du granite de type A de Zabili à 567 ± 10 Ma (âge U-Pb sur zircon) est associée aux dernières manifestations magmatiques du cycle orogénique panafricain (intrusions post-tectoniques). Les caractères géochimiques (appauvrissement extrême en Sr, Eu, Ca, Mg, Ni) et isotopiques (eNd initial = +3 à +7) de ce granite indiquent une origine par cristallisation fractionnée à partir de magmas d'origine mantellique et contamination de ceux-ci au cours de leur mise en place dans la croûte supérieure par une composante crustale ancienne / The Mayo Kebbi massif (south-western Chad) is located between the Congo craton, the West African craton and the Saharan Metacraton. It consists of two greenstone belts (Zalbi and Goueygoudoum), three magmatic complexes (Gauthiot falls, Lere, Figuil) and post-tectonic intrusions distinguished on the basis of their structural, petrological, geochemical and geochronological characteristics. The geodynamic evolution of this massif includes the following phases:Phase 1: Emplacement of a Mafic to Intermediate Plutonic (MIP) complex. Boloro metadiorite, which belongs to this complex, is dated at 748 ± 4 Ma (U-Pb zircon age). This metadiorite is enriched in REE and characterized by LaN/YbN ~ 12, Sr/Y > 32, high LILE, Cr and Ni contents but negative anomalies in Nb-Ta. These features are attributed to partial melting of the slab followed by interaction of the produced magmas with the mantle wedge during their ascent.Phase 2: Emplacement of metagabbros and metabasalts (700 ± 10 Ma: U-Pb zircon age) of the Zalbi metavolcanic-sedimentary group. These rocks are characterized by a decoupling of LILE and HFSE, negative Nb-Ta anomalies, weak to moderate LREE fractionation relative to HREE. In particular, their geochemical characteristics are similar to modern back-arc basins. The isotopic compositions of Sr and Nd of these rocks preclude contamination by old continental crust of the related magmas during their emplacement. Accordingly, the MIP complex and the Zalbi metavolcanic-sedimentary group are associated to juvenile accretion in an island arc/back-arc basin tectonic setting.Phase 3: The syntectonic quartz metadiorite of Gauthiot Falls magmatic complex (665 ± 1 Ma: U-Pb zircon age, Penaye et al., 2006) is emplaced during a first collision event, which involves the Mayo Kebbi massif and the Adamaoua-Yade domain to the east. This event marks the beginning of the closure of the Zalbi back-arc basin and crustal thickening.Phase 4: The thickening is responsible of intra-crustal differentiation by partial melting of rocks accreted during the previous phases at the base of the arc. During this phase, several tonalitic intrusions are emplaced, including hornblende-biotite tonalites of Gauthiot Falls and Guegou tonalite (Lere magmatic complex). The latter is dated at 647 ± 5 Ma (U-Pb zircon age). The produced magmas have typical features of TTG magmas, leaving a garnet bearing residue at the base of the continental crust.Phase 5: The syntectonic tonalite of Figuil magmatic complex dated at 618 ± 6 Ma (U-Pb zircon age), is characterized by initial ?Nd = -3 and initial 87Sr/86Sr = 0.7073 attesting for the involvement of pre-Neoproterozoic crust on its origin. It marks a second collision event between the Mayo Kebbi massif and the Western domain of the Central African Orogenic Belt to the west.Phase 6: The Zabili A-type granite emplaced at 567 ± 10 Ma (U-Pb zircon age) and is related to the last magmatic events of the Pan-African orogenic cycle (post-tectonic intrusions). The geochemical (low Sr, Eu, Ca, Mg, Ni) and isotopic compositions (initial ?Nd = +3 à +7) of this granite point to an origin involving extreme fractionation of mantle-derived magmas which interacted with an old crustal component during their emplacement in the upper continental crust

Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit se focalise sur la reconnaissance ainsi que l'expression des processus de différenciation crustale à l'Archéen. Cet éon représente à lui tout seul 1/3 des temps géologiques, et se caractérise notamment par des lithologies diagnostiques, ainsi que des contextes géodynamiques complexes. La majorité des études sont portées sur l’investigation des phases alumineuses qui permettent de contraindre précisément les événements métamorphiques au-cours d’une géodynamique d’épaississement crustal. Toutefois, ces phases alumineuses représentent rarement plus de 10% des terrains archéens, alors qu’ils sont faits à plus de 75% de gneiss orthodérivés. L'étude qui suit est une caractérisation du complexe de gneiss gris composite de la marge Nord du craton archéen du Kaapvaal en Afrique du Sud. Les résultats produits durant cette investigation ont amené à plusieurs conclusions importantes au regard de la géodynamique archéenne. L'étude isotopique U-Pb/Lu-Hf sur zircon couplée à des analyses pétro-métamorphiques montre que la construction d’un complexe de gneiss gris composite correspond à une géodynamique prolongée dans le temps, accomplie au-travers de processus de différenciations crustales internes à la Zone accrétée, 1.e. le bloc crustal évolue en système thermodynamiquement fermé. Les complexes de gneiss gris ne sont que modérément étudiés toutefois, les informations contenues dans ces lithologies apparaissent complémentaires avec celles obtenues par les études métamorphiques sur les lithologies alumineuses. Il est donc nécessaire d'approfondir ce type d’investigations afin de mieux contraindre les modèles géodynamiques archéens / The PhD work presented in this manuscript focuses on the recognition and the manifestation of Archean crustal differentiation processes. The Archean eon which represents 1/3 of the geological record is featured by both lithologies unrecognized in younger eons and cryptic geodynamics. Most of investigations concentrate on the characterisation of aluminium-rich lithologies that allow an accurate determination of the pressure-temperature evolution underwent by crustal materials during crustal thickening geodynamics. However, aluminium-rich lithologies - mainly represented by metasediments - account for only 10% on average of Archean terranes whereas orthoderived gneisses - which also testify for crustal differentiation processes - form around 75% of these terranes. The following contribution depicts an Archean composite grey gneiss complex located at the northern edge of the Kaapvaal craton is South Africa. Results carried out during this PhD study have major consequences on Archean geodynamics. The zircon U-Pb/Lu-Hf isotope Investigation coupled with strong petro-metamorphic observations show that composite grey gneiss complexes may be built over a protracted time span, achieved through self-refinement of crustal materials, i.e. the crustal block evolved in a thermodynamically closed system. Grey gneiss compiexes are only moderately investigated even though information enclosed in these lithologies is complementary with those from aluminium-rich rocks. Therefore, deeper investigations of these geological objects must be a central scope in order to improve the knowledge of the Archean eon and appears necessary for the building of even more realistic geotectonic models

La composition chimique de la croûte continentale a significativement évolué à la transition Archéen-Protérozoïque (3000-2500 Ma), témoignant de changements géodynamiques majeurs à cette époque. Afin d'étudier l'expression et les origines de ces changements, qui sont encore mal contraints, j'ai étudié une diversité de granitoïdes qui se sont mis en place dans cette gamme d'âges à la marge Nord du craton du Kaapvaal, en Afrique du Sud. Ce travail a permis de préciser la typologie et l'origine des granitoïdes tardi-archéens ; ceux-ci peuvent être classés dans trois grands groupes : (1) Les sanukitoïdes, représentés en Afrique du Sud par le pluton de Bulai, sont des magmas dérivant de l'interaction entre une péridotite mantellique et un composant riche en éléments incompatibles (TTG, liquide issu de la fusion de sédiments, et, plus rarement, fluide aqueux). Les sanukitoïdes peuvent être classés en deux groupes distincts, selon les mécanismes de cette hybridation : les low-Ti sanukitoids proviennent d'une simple hybridation du liquide silicaté avec la péridotite, alors que les high-Ti sanukitoids sont issus de la fusion d'un assemblage métasomatique à amphibole et phlogopite, résultant de ces interactions. Enfin, les mécanismes de différenciation des suites sanukitoïdes au niveau de la croûte sont contrôlées par des mécanismes de cristallisation fractionnée ou (moins vraisemblablement) de fusion partielle. (2) Les sanukitoïdes " marginaux ", représentés dans le craton du Kaapvaal par les plutons de Mashashane, Matlala, Matok et Moletsi, sont des granitoïdes résultant de l'interaction entre des sanukitoïdes et des magmas provenant de la fusion de croûte préexistante. Etant donné la large gamme de sources possibles (TTG, métasédiments, roches mafiques) d'un craton à l'autre, ce groupe est extrêmement diversifié. Leurs mécanismes de différenciation sont contrôlés par la cristallisation fractionnée. (3) Certains granites, tels que le batholite de Turfloop en Afrique du Sud, sont directement issus de la fusion de lithologies crustales (TTG, métasédiments et amphibolites). Au sein du craton du Kaapvaal, l'évolution spatio-temporelle du magmatisme tardi-archéen suit un schéma très caractéristique : les TTG se mettent en place entre ~3300 et ~2800 Ma, puis laissent la place à la genèse de l'ensemble des granitoïdes présentés ci-dessus, qui se déroule entre 2780 et 2590 Ma. Cette séquence d'évènements est reproduite au sein de tous les cratons du monde à la fin de l'Archéen. Elle témoigne de l'avènement des processus de recyclage crustal, puisque, par opposition aux TTG archéennes qui dérivent de métabasaltes juvéniles, les magmas tardi-archéens sont issus à la fois de la différenciation intracrustale et de l'interaction entre une péridotite et du matériel continental introduit dans le manteau. Cette dualité de processus pétrogénétiques est aussi très typique des épisodes magmatiques qui ont lieu à la fin des cycles de subduction-collision post-archéens. Ainsi, l'évolution de la composition des granitoïdes entre 3000 et 2500 Ma traduit vraisemblablement l'initiation d'une forme de tectonique des plaques proche du régime actuel. Celle-ci serait liée au refroidissement planétaire global, qui a probablement entraîné un " effet de seuil " dans l'évolution de l'épaisseur de la croûte océanique ainsi que la rhéologie et le volume de la croûte continentale, permettant ainsi à la subduction et à la collision de ne devenir thermo-mécaniquement stables qu'à partir de la fin de l'Archéen.