L'étude des roches intrus ives de la zone houillère briançonnaise concerne deux phénomènes indépendants permettant d'expliquer leur évolution minéralogique et géochimique : (1) le magmatîsme hercynien (2) et le métamorphisme alpin. Le magmatisme hercynien : Il concerne presque exclusivement les roches intrusives de la série gréso-pélitique du Carbonifère et se traduit par des phénomènes cryptovolcaniques et plutoniques: sills, dykes (peu) et un pluton d'extension kilométrique, de roches surtout microgrenues porphyriques. Les liquides mis en place sont de nature dioritique et granodioritique (9/10) accompagnés d'un faible volume de granite et d'une quantité mineure de roches à tendance basaltique (dolérites s.l. ). La pétrologie et la géochimie des éléments majeurs (hormis Ca, Na et K) et en trace montrent indiscutablement l'appartenance de ce magmatisme à la lignée calco-alcaline et l'unicité de la série de différenciation à partir d'un seul magma parental. L'absence de pyroxène et d'olivine, ainsi que le comportement de V, Ni et Cr, témoignent d'une différenciation par cristallisation fractionnée intratellurique de titanomagnétite, hornblende et plagioclase; en outre, l'absence de minéraux ferromagnésiens pyrogènes anhydres (hormis la titanomagnétite) indique la très grande richesse en fluide de ce magmatisme (plus de 6 % d'eau en poids). Dans les zones fortement injectées, un autométamorphisme apparaît dans les roches intrusives, affectant ces minéraux pyrogènes ou donnant de la biotite ou de l'actino-hornblende et un métamorphisme de contact se développe dans les grès et les pélites encaissantes donnant des cornéennes. Des comparaisons géochimiques (éléments majeurs seulement) effectuées avec d'autres gisements régionaux permiens (Vallon de la Ponsonnière) font apparaitre des divergences notables portant sur le Ti et les alcalins. Le volcanisme de la zone houillère briançonnaise replacé dans le contexte géostructural européen fini-hercynien où des phénomènes volcaniques de nature très diverse (calco-alcalin, alcalin, tholéiitique )se côtoient ou se téléscopent (Vosges), est difficilement interprétable malgré ses caractères géochimiques tranchés. Le comportement géochimique peu contrasté du Ti situe ce magmatisme dans un contexte géostructural compressif et sa position paléogéographique le long de fractures profondes qui ont joué un rôle prépondérant dans l'Europe hercynienne et alpine. Le métamorphisme alpin: Les paragenèses métamorphiques se développent presque exclusivement au sein des porphyres verts (microgranodiorites - microdiorites) qui constituent un milieu chimiquement privilégié, compatible avec la cristallisation des aluminosilicates calciques typomorphes. Deux tendances principales sont mises en évidence dans les porphyres verts: (1) des associations à lawsonite exceptionnelle (région de Briançon) (2) des associations à lawsonite dominante (région de la Bissorte Arc) auxquelles s'associent à divers degrés la pumpellyite, la prehnite, l'albite, le mica blanc, la chlorite et le sphène. La différenciation chimique due au métamorphisme a surtout affecté les alcalins et le Ca. Elle se manifeste par une destruction de la molécule d'anorthite contrebalancée par une albitisation et/ou une muscovitisation qui se traduisent par un gain en Na ou en K et/ou perte substantielle en Ca. Au contraire, l'Al, élément peu mobile, présente par rapport au chimisme originel un gain marqué, manifesté par la présence de corindon normatif. Les autres éléments subissent des variations négligeables diminuées par l'augmentation de la perte au feu. Les teneurs en Li des porphyres verts intermédiaires sont anormalement élevées (X = 50.25) comparativement aux teneurs de quelques andésites non métamorphiques (Sud Pérou et Sardaigne, X = 14.62 et X = 19.04) et la corrélation Li - FeO est hautement significative. En effet, jointe à l'abondance de Fe 2 + de ces roches, la corrélation Li - FeO, et les résultats obtenus par projection vectorielle et A. C. P. N., laissent supposer que la chlorite est le minéral porteur de cet élément. Des analyses ponctuelles à la microsonde sur le couple chlorite - pumpellyite ne mettent en évidence aucune corrélation Fe/ Fe + Mg entre ces deux phases. Contrairement à la pumpellyite qui montre une grande indépendance vis à vis du chimisme de la roche hote, la chlorite montre une dépendance affirmée. Le chimisme des pumpellyites qui varie de la Fe- pumpellyite à l'Al - pumpellyite est très dépendant de fO2 qui contrôle les substitutions Fe3+ - Al3+ et Fe2+ - Mg2+ . La complexité des paragenèses métamorphiques et leur succession indiquent une grande sensibilité des aluminosilicates calciques aux faibles variations des paramètres physiques. Ainsi que le montre la grande ubiquité des paragenèses à calcite-chlorite-albite-mica blanc, a CO2 joue un rôle prépondérant dans la stabilité des aluminosilicates calciques et l'omniprésence du sphène ou du leucoxène associé aux paragénèses typomorphes permettent d'avancer une X CO2 = 0.04. Les deux paragenèses dominantes mises en évidence permettent d'établir deux sous zones dans la zone à albite-lawsonite déterminée par Saliot (1970) se répartissant de part et d'autre d'une ligne de direction relativement sécante par apport aux structures alpines. Ces divergences dans l'apparition des silicates typomorphes sont en liaison étroite avec les variations du paramètre P. Le bâti méridional ( région de Briançon) aurait subi une élévation faible de température (250 à 300°C) accompagnée d'une augmentation modérée de pression (P 2. 5 kb ) alors que le bâti septentrional ( région de Bissorte - Arc) aurait subi,pour une température équivalente, une augmentation plus brutale et plus homogène de la pression. En outre, les porphyres du Nord et le bâti sédimentaire montrent des déformations et des recristallisations plus poussées, ainsi qu'une schistosité plus marquée.

Les Eléments Traces Métalliques (ETM : Cd, Co, Cu, Cr, Ni, Pb, Sb et Zn) sont dispersés dans l'atmosphère à la suite de processus naturels et anthropiques. Les écosystèmes forestiers, même éloignés de sources de pollutions aigues, sont sous l'influence d'apports atmosphériques. Leur interaction importante avec l'atmosphère les rend sensibles à cette pollution. Ils font l'objet d'une protection vis-à-vis de la pollution atmosphérique par la définition de charges critiques. L'impact potentiel des ETM dans les écosystèmes forestiers est fortement lié à leur dynamique aux interfaces atmosphère/végétation et sol/solution. En effet, le couvert forestier modifie les apports atmosphériques et la solution de sol est le vecteur principal des ETM vers la biosphère et les eaux de surface et souterraines. Ce travail a consisté en l'analyse des ETM (teneurs et spéciation) dans différents compartiments de l'écosystème (apports atmosphériques hors et sous couvert forestier, sols et solution de sol, végétation) au niveau de six placettes forestières françaises. Les résultats obtenus ont permis d'étudier et de mettre en relation la partition des ETM entre les phases totales, extractibles et en solution des métaux dans les sols avec des paramètres du sol. Le pH du sol est le paramètre le plus significatif pour la prédiction de l'extractabilité et de la solubilité des ETM en solution. La complexation en solution par des colloïdes organiques contrôle la solubilité de certains éléments (Cu, Pb). Les apports atmosphériques actuels sont modérés et montrent une influence régionale plus marquée dans le nord-est de la France. Le couvert forestier modifie significativement les apports atmosphériques. Certains flux (Cd, Ni, Cu et Zn) sont diminués du fait de l'assimilation des éléments par le couvert au moment du dépôt. D'autres flux sont augmentés (Cr, Pb, Sb) sous le couvert forestier, du fait de l'accumulation de dépôt sec. Le bilan des ETM à l'échelle de la placette (accumulation ou perte) dépend du type de sol, de la solubilité de l'élement considéré dans la solution de sol et de sa mobilité dans la végétation. Les limites et charges critiques ont été déterminées et la comparaison avec les concentrations dans les solutions de sol et les apports actuels n'ont pas montré de dépassement.

Les cônes de Puyo, les laves de Mera et le stratovolcan Pan de Azucar, trois formations Plio-Quarternaires situées dans l'arrière-arc volcanique (Oriente), ont émis des laves potassiques pauvres en silice. La modélisation géochimique et l'étude expérimentale réalisée en piston-cylindre ont permis de contraindre l'origine et l'évolution de ces magmas. D'abord, le coin de manteau lherzolitique est métasomatisé par 3-5% de liquide silicaté. Il fond ensuite partiellement (1-4%), entre 2-3GPa et 1170-1400°C, en laissant un résidu lherzolitique à grenat+-phlogopite. Alors que les séries de Mera et du Pan de Azucar se différencient par cristallisation fractionnée, une faible variation du degré de fusion engendre la totalité des laves de Puyo. La participation de liquides silicatés lors de la genèse de ces laves démontre l'influence de la Ride océanique de Carnegie dans l'arrière-arc et indique que la ride est entrée dans la zone de subduction bien avant le Pléistocène inférieur.

Les approches macroscopiques (cinétique chimique) et microscopiques (spectroscopie EXAFS polarisée) ont été couplées dans le but de caractériser les mécanismes moléculaires de fixation de cations divalents (Co, Zn) sur l' hectorite, une smectite magnésienne, et sur le quartz. À pH = 6,5, haute force ionique, et pour un rapport Zn/hectoritc de - 50 umol/g, une adsorption spécifique de Co et Zn a lieu. Cette adsorption n' atteint pas l'équilibre avant plusieurs heures, et coïncide avec une libération initiale accrue de protons et de Mg en solution, puis une inhibition à long terme (t >= 48 h) de la cinétique de dissolution de l' hectorite. Co et Zn adsorbés forment des complexes de surface mononucléaires en continuité structurale de la couche octaédrique des feuillets d' hectorite. À basse force ionique, Co et Zn sont initialement adsorbés par échange cationique. Cette réaction atteint l'équilibre en moins de 5 min. Ces cations forment initialement des complexes de sphère externe sur les sites d'échange, puis ils migrent progressivement vers les sites de bordure des feuillets, où ils forment des complexes de surface similaires à ceux formés à haute force ionique. Le mécanisme et l'amplitude de l'adsorption de Zn sur l'hectorite à pH 7,3, à haute force ionique et pour un rapport Zn/hectorite de 1480 umol/g, dépend de la concentration en silice dissoute [Si) . La quantité de Zn adsorbé est limitée pour [Si) ~ 30-60 umoI/L, et Zn forme des polymères de petite taille (2-3 octaèdres) en continuité structurale de la couche octaédrique de l'hectorite. La quantité de Zn adsorbé est beaucoup plus importante pour [Si) ~ 540 umoI/L; cette adsorption est corrélée à une adsorption de Si, et correspond à la nucléation de phyllosilicates TOT zincifères en épitaxie dans le plan ab des feuillets. Une analyse approfondie de spectres EXAFS de Co adsorbé sur le quartz révèle que cet élément polymérise sous forme de couches d'octaèdres liées à des couches de tétraèdres de Si, pour former des phyllosilicates cobaltifères. Le mécanisme de cette néoformation est discuté.

Cette étude a pour but de quantifier le rôle de la phase fluide et vapeur dans le comportement de Zn et de Cd dans les processus hydrothermaux/volcaniques, en combinant mesures expérimentales en laboratoire (solubilité, potentiométrie, coefficients de partage) et spectroscopie d'absorption de rayons X in situ (XAS) avec modélisations physico-chimiques et analyses de gaz volcaniques naturels. Nos résultats mettent en évidence la formation de complexes chlorurés en phase fluide et vapeur de stoechiométrie CdClm(H2O)n2-m ayant des géométries octaédrique ou tétraédrique selon T et mCl. Les paramètres thermodynamiques générés pour ces complexes démontrent qu'ils sont les espèces majeures responsables du transport de Cd par les fluides naturels. Ces complexes chlorurés de Cd sont beaucoup plus stables que leurs analogues de Zn et jouent un rôle clé dans le fractionnement des deux métaux. L'ensemble des données expérimentales, thermodynamiques et analytiques obtenu permet de proposer un nouveau traceur géochimique des processus hydrothermaux basé sur le rapport Cd/Zn

Ce travail a pour but l'étude de la stabilité des minéraux sulfatés et carbonatés dans les sédiments marins au cours de la diagenèse précoce (températures inférieures à 70°C et enfouissement maximal de 2 kilomètres). La première partie présente l'étude pétrographique et géochimique de concrétions dolomitiques contenant de la calcite et des sulfates (célestine et barytine), dans le delta éocène du Sobrarbe (Espagne). Nous déterminons l'ordre d'apparition des minéraux ainsi que leurs conditions de formation dans un contexte tectonique actif. Dans la deuxième partie, l'état de saturation des eaux interstitielles des sédiments marins par rapport aux carbonates et sulfates est calculé en utilisant l'intégralité de la base de données ODP/IODP (14000 échantillons). Pour les sulfates (célestine, gypse), la saturation est fréquente et caractérisée par l'équilibre chimique. Ce travail montre comment la modélisation des interactions eau/roche peu expliquer la présence de minéraux diagénétiques

Une bonne compréhension du comportement des radiochronomètres est essentielle pour mener des études de thermochronologie visant à contraindre des processus géodynamiques. Cependant, le comportement des radiochronomètres est complexe car dicté par un grand nombre de facteurs intrinsèques et extrinsèques au système étudié. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à déterminer quels étaient les facteurs critiques lors des processus de rééquilibrage isotopique survenant durant un événement métamorphique de haut grade. Ainsi, nous avons étudié le comportement des systèmes isotopiques Rb/Sr, Ar/Ar et Sm/Nd lors de l'éclogitisation partielle (contrôlée par la déformation et la circulation de fluides) au Calédonien de roches granulitiques grenvilliennes dans l'Arc de Bergen en Norvège. Nous montrons, grâce à une étude géochronologique fine associée à différentes observations (pétrologiques, géochimiques in situ et sur fractions minérales, diffraction X et isotopes de l'oxygène) permettant de contraindre avec précision le flux des éléments d'un site textural vers un autre au cours des réactions d'éclogitisation, que le facteur principal garantissant un rééquilibrage isotopique complet pour les systèmes Rb/Sr et Sm/Nd lors d'un événement métamorphique de haut grade est la redistribution homogène des éléments à l'échelle de l'échantillon. Cependant, la circulation de fluides et la déformation qui peuvent être associées aux processus de recristallisation ne sont pas nécessairement suffisant pour garantir une telle réhomogénéisation. La mise en solution des éléments d'un système ou la fusion partielle apparaissent comme deux mécanismes de réhomogénéisation bien plus efficaces. Pour le système Ar/Ar, le facteur critique est l'évacuation totale de l'argon radiogénique précédemment accumulé dans le système. Cette évacuation est favorisée, mais non garantie, par la circulation de fluides en raison de la plus forte solubilité de l'argon dans les fluides. Cependant un grand nombre de facteurs vont contrôler ce processus : quantité d'argon radiogénique initialement présente (fonction de la composition chimique de la roche et de son âge), composition chimique du fluide, et circulation en système ouvert ou fermé.

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.

Differentiation of the lithospheric mantle occurred principally through partial melting and extraction of melts. Harzburgites are generally considered as melting residues whereas lherzolites are regarded as pristine mantle weakly affected by melting. However, some orogenic peridotites show evidence of igneous refertilization. In this context, this work re-investigates the nature of the Lherz lherzolites (Pyrenees), type-locality of lherzolites, described as a piece of preserved fertile mantle. Structural and geochemical data show that these lherzolites are not pristine but formed through a refertilization reaction between MORB-like melts and refractory lithosphere. Moreover, the Lherz peridotites were partly used to infer the composition of the primitive upper mantle and these results may have important implications for the nature of the late veneer. Additionally, crystal-preferred orientations of minerals (CPO) highlight a strong feedback between melt percolation and finite strain in the percolated rocks. CPO variations are ruled by a subtle balance between instantaneous melt fraction and local strain rate. This work also investigated the effect of melt percolation on Hf, Nd and Sr isotopes. Isotope systematics in Lherz shows that strong isotopic decoupling may arise in a percolation front. The modelling suggests that decoupled isotopic signatures are generated during porous flow and governed by the melt/matrix elements concentrations, chemical diffusivities or efficiency of isotopic homogenization. Melt-rock interactions can generate “intraplate-like” isotopic signatures. This suggests that a part of isotopic signatures of mantle-related rocks could be generated by diffusional processes associated with melt transport.

La contribution, dans le cycle supergène, du carbone organique fossile (COF), issu de l'érosion des roches sédimentaires, est aujourd'hui une inconnue majeure du cycle du carbone. Le présent travail, initié dans le cadre du GIS Draix "étude de l'érosion en montagne », s'est intéressé au devenir de la matière organique contenue dans les "terres noires" (marnes jurassiques) des bassins versants de Draix (Alpes de haute Provence, France). Ceci a nécessité : - la mise en évidence de la contribution de COF au sein des compartiments supergènes (sols, particules fluviatiles, altérites) à travers une approche pluri-analytique (investigations géochimiques, optiques, isotopiques). - l'estimation de la part de COF disparue lors de son transfert d'un compartiment à un autre obtenue grâce au développement d'une nouvelle méthode analytique (palynofacies quantitatif) et en couplant approches terrain et expérimentale. - l'estimation et la modélisation des flux de COF libérés par les altérations mécaniques et chimiques des terres noires à l'échelle des bassins étudiés. Les résultats obtenus permettent : - 1) de confirmer la résistance du COF, dont les pertes n'excèdent pas 30 % et ne concernent que la part libérée par l'altération chimique; - 2) de rappeler la pluralité du COF, dont les familles réagissent différemment face aux différents types d'altérations ; - 3) de hiérarchiser les facteurs contrôlant les flux de COF (couvert végétal, pentes, précipitations) ; - 4) de mettre en évidence l'importance du COF libéré, exprimé en t/ha/an, par les « terres noires » aux échelles locales et régionales.