This thesis considers the use of two U-series nuclides – 231 Pa and 230 Th – as proxies for studying ocean circulation. A total of six water-column profiles of 231 Pa, 230 Th, and 232 Th have been measured from two regions of the southwestern Indian Ocean: the Madagascar and Mascarene Basins; and the southeastern continental margin of South Africa. Measurement by MC-ICP-MS of 10 litre water samples is possible for samples with as little as 4 and 2 fg of 231 Pa and 230 Th and yields typical uncertainties of 6% and 14% respectively. These profiles show that the scavenging and advection histories of water masses can affect their 231 Pa concentration, with distinct variations superimposed on a general increase in concentration with depth due to reversible scavenging. A 1D particle scavenging model is used to show that sedimentary (231 Paxs /230 Thxs )0 is most representative of the (231 Pa/230 Th) of the bottom most water mass at any one locality, although in turn this water mass (231 Pa/230 Th) will be dependent not only on its advection and scavenging history but also the 231 Pa and 230 Th concentrations of the overlying water masses during advection. Acknowledgment that sedimentary (231 Paxs /230 Thxs )0 is “set” by the bottommost water mass is important for interpretation of scenarios where changes in depth of circulation, as well as circulation strength, may have occurred. A record of sedimentary (231 Paxs /230 Thxs )0 has been recovered from a 6 m Kasten core from the Mascarene Basin covering the past 140 ka, in order to reconstruct flow of AABW into the basin. The (231 Paxs /230 Thxs )0 measured is below the production ration of 0.093 and shows no significant variation. This indicates that (231 Paxs /230 Thxs )0 is sensitive to changes in particle productivity and circulation at this location and that there has been little or no change in either environmental variable over the last full interglacial-glacial cycle. This finding is in contrast to other ocean basins, particularly the North Atlantic, where large changes in circulation are observed.

Les micaschistes de la Série du Lot (SL) et le Groupe Leptyno-Amphibolique (GLA) de Marvejols, au bord sud de l'Aubrac, montrent trois phases de déformation superposées. Survenue en conditions de pression et température du faciès granulite, la seconde phase est celle de la foliation principale, subhorizontale. Avec la même attitude, une foliation mylonitique de haute température est développée au sommet de la SL, à son contact lui aussi subhorizontal avec le GLA, ce dernier ayant antérieurement subi des conditions éclogitiques. L'orientation préférentielle des axes c du quartz dans les mylonites suggère une vergence au Sud. Ce dispositif pourrait appuyer l'idée d'une structuration du Massif central en nappes de socle, superposées par cisaillement simple plutôt qu'à la faveur de grands plis couchés. La datation isotopique U-Pb sur zircon de quinze roches, par la méthode des intercepts dans le diagramme Concordia, fournit une dizaine d'âges considérés comme géologiquement interprétables. Le GLA serait pour partie de l'Ordovicien inférieur selon deux âges sur zircon magmatique obtenus par intercepts supérieurs proches (leptynite: 478 Ma +5/-6 Ma; métagabbro: 481 Ma ± 3 Ma). Après un métamorphisme éclogitique vers la fin de l'Ordovicien qui serait contemporain de la mise en place d'une trondhjémite du GLA (intercept sup. à 415 +6/-5 Ma), le GLA aurait été mis en place par-dessus la SL au début du Carbonifère en conditions granulitiques (paragneiss, GLA: intercept inf. à 340 Ma ± 4 Ma; pegmatite, GLA: intercept sup. à 344 Ma +12/-28 Ma). La SL contient des orthogneiss, ex-granitoïdes intrusifs dont le protolithe date pour l'un d'eux du tout début du Cambrien (540 ± 15 Ma, intercept sup. proche), d'autres ne fournissant que des intercepts supérieurs lointains difficilement interprétables vers 700, 900, 1000 et 1700 Ma, qui ne permettent pas de préciser l'âge précambrien probable du dépôt de la SL. Son métamorphisme principal daterait du Dinantien (orthogneiss, SL, intercept inf. proche à 346 ± 8 Ma). Des témoins d'événements précambriens existent aussi dans les zircons extraits des mylonites entre SL et GLA (intercept inf. à 600 Ma, intercept sup. vers 2000 Ma). A proximité, couronnant le dôme du Lévezou, le GLA comprend de nouveau un protolithe ordovicien (trondhjémite, intercept sup. à 486 +23/-36 Ma) et le granite du Pinet, au cœur du dôme, pourrait dater du Dinantien (environ 350 Ma pour un intercept inf.) donc être syntectonique. Sans appuyer pleinement les modèles de charriages himalayens appliqués au Massif central, ces résultats permettent d'éliminer nombre d'hypothèses antérieures: (1) en interdisant de considérer l'intensité du métamorphisme subi comme une façon d'apprécier l'âge des terrains ; (2) en montrant le rôle essentiel, dans la structure du socle anté-houiller du Massif central, de l'orogène hercynien au cours du Carbonifère inférieur (qui correspondrait à la phase 2, pour l'essentiel) ; (3) en montrant qu'une part importante des terrains affectés remontait au Paléozoïque inférieur plutôt qu'au Précambrien. Un tome annexe présente (1) la méthodologie de la datation U-Pb, avec l'historique des interprétations des intercepts dans le diagramme Concordia depuis Wetherill (1956), (2) la technique expérimentale employée, avec le calcul des incertitudes.

Rare earth elements (REEs) and their isotopes (such as Nd isotopes) can be potentially used to trace a wide range of oceanic processes in both modern and ancient oceans, but their successful application as tracers requires a comprehensive understanding of REE cycling in the modern ocean. Previous studies of REEs in seawater were largely constrained by analytical difficulties in generating accurate and precise REE data from seawater, which typically contain REE concentrations at a sub-ppt to ppt level. A new, and relatively simple, analytical method for precise and accurate determination of all dissolved REE concentrations in reasonably small (∼100 ml) seawater samples is presented in this thesis. With the application of the new method, this thesis reports the first full-depth, zonal ocean section of all dissolved REE concentrations, collected during the CoFeMUG cruise along ∼12°S in the South Atlantic. The section approach of this study places the distribution of dissolved REE concentrations in a well-constrained hydrographic context, allowing the first quantitative assessment (by an inverse model) of the relative importance of hydrographic controls resulting from advection/mixing of ocean circulation, together with non-conservative controls resulting from local particle scavenging and remineralization, in controlling the distribution of dissolved REEs in this region. A noteworthy decoupling of Ce and Mn with respect to their cycling in the water column was also observed in this study. The application of Nd isotopes as a tracer to reconstruct changes in ocean circulation in the NW European chalk shelf sea during rapid climatic events, including the mid-Cenomanian Event and oceanic anoxic event 2 (OAE 2), suggests a tight coupling between ocean circulation and transient climatic cooling during the general warm Late Cretaceous. An advected volcanic signal during OAE 2 was registered in the seawater Nd-isotope record from the English Chalk, probably suggesting a period of enhanced ocean ventilation/mixing at this time.

Parmi les radionucléides présents dans les stockages de déchets nucléaires de haute activité et à vie longue en couche géologique profonde, le 79Se a été mis en évidence comme pouvant poser un problème de sûreté. Le 79Se pourrait cependant être immobilisé par la sidérite (FeCO3) présente dans l'environnement proche du colis de déchets. Ce travail est une étude de la réaction chimique se produisant entre les oxyanions du sélénium (sélénite et sélénate) et la sidérite. Dans ce but, une double approche expérimentale (chimie des solutions, Spectroscopie d'Absorption des rayons X, XAS) et théorique (modélisation ab initio dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, DFT) a été mise en œuvre. Des expériences en boîte à gants réductrice (5 % H2) de rétention des ions sélénite (SeIVO32-) et sélénate (SeVIO42-) (! 10-3 M) par des suspensions de sidérite (75 g/L) à pH neutre montrent que les ions sélénite sont quantitativement immobilisés par la sidérite en 48 h de réaction, contrairement aux ions sélénate qui ne sont que partiellement immobilisés après 10 jours de réaction. Dans le cas du sélénite, la XAS montre que le sélénium immobilisé est initialement présent sous forme de Se(IV) vraisemblablement adsorbé sur la surface de la sidérite. Après 10 jours de réaction, les ions sélénite sont quantitativement réduits sous forme de sélénium élémentaire trigonal relativement désorganisé. Les cinétiques de rétention et de réduction des ions sélénite par la sidérite sont donc distinctes. Sur la période de temps des expériences, les ions sélénate immobilisés par la sidérite ne semblent pas être réduits par la sidérite. Afin de mieux comprendre le mécanisme de réduction des ions sélénite, nous avons étudié les propriétés du solide et d'une surface parfaite de sidérite en DFT. Nous avons notamment proposé que, dans ce cadre théorique, une description correcte des électrons de valence de la sidérite ne peut être obtenue qu'à condition d'admettre que la symétrie de la densité électronique de l'état fondamental est incompatible avec la symétrie cristallographique expérimentale. Nous montrons par la suite que la modélisation de la rétention de molécules simples comme O2 et H2O sur la surface parfaite (10-14) de sidérite et de magnésite (MgCO3 ; plan de clivage parfait et d'énergie minimale d'après la DFT) est en bon accord avec les données de la littérature. Enfin, nous étudions la formation de complexes de surface du sélénite sur la magnésite avec et sans prise en compte de l'hydratation. L'ensemble de ces résultats confirme que le sélénium relâché sous forme de sélénite devrait être immobilisé de manière quantitative par la sidérite, et ne devrait pas contribuer au débit de dose à l'exutoire. Ce n'est pas le cas du sélénate, qui n'est que peu immobilisé et pas réduit par la sidérite.

La récupération in situ (ISR) est une méthode d'exploitation minière qui consiste à extraire le minerai in situ par le biais de solutions d'attaque acides ou alcalines. Comme l'ISR a lieu en sous-sol, la gestion de l'ISR reste globalement empirique. La modélisation numérique de cette technique minière permettrait d'optimiser la conduite de ce type d'exploitation. Trois types de phénomènes doivent être pris en compte pour la modélisation de la lixiviation de l'uranium par ISR: (1) les réactions géochimiques; (2) les cinétiques de ces réactions et (3) l'influence du transport hydrodynamique sur ces réactions. Des tests de lessivage ont été menés sur des échantillons du site minier de Tortkuduk (Kazakhstan), où l'ISR de l'uranium est réalisée par voie acide. Deux types de tests de lessivage ont été menés en laboratoire : (1) des essais en batchs; (2) des essais sur colonnes. Les hypothèses concernant les mécanismes de lessivage ont été testées et validées en modélisant ces tests avec les codes de calcul CHESS et HYTEC, développés à Mines ParisTech. Un modèle 1D couplant géochimie et transport du procédé ISR à l'échelle du laboratoire a été proposé. Il permet de traduire la séquence des mises en solutions en une séquence de réactions géochimiques. Les facteurs contrôlant la dissolution de l'uranium et les précipitations secondaires ont été mis en évidence ainsi que leur importance relative.

Le massif de Lys-Caillaouas est un des nombreux complexes plutoniques qui s'observent au sein de la chaîne des Pyrénées. Il est situé à égale distance de l'Atlantique et de la Méditerranée et à cheval sur le Midi-Pyrénées et l'Aragon. Son relief tourmenté, son altitude élevée (3222 mètres au Perdiguère) et son enneigement important ont constitué autant d'obstacles à son étude qui aujourd'hui encore est fort peu avancée. Le granite à GCF et le granite à grain fin et à muscovite ont déjà été largement décrits dans les études qui par le passé ont été consacrées au massif plutonique du Lys-Caillaouas. Mais le complexe basique n'était jamais apparu en tant que tel et personne n'avait cherché à établir sa structure. Le complexe basique résulte de la cristallisation d'un liquide de composition dioritique. Il se compose de trois formations : (*) Une formation homogène claire inférieure, à tendance quartz odioritique. (*) Une formation litée intermédiaire, qui voit alterner tonalite et gabbro. (*) Une formation homogène sombre supérieure, à tendance gabbroique. Quelques types rocheux particuliers s'observent dans ce complexe. La première formation renferme quelques cumulats plagioclasiques ainsi que des passées à grands cristaux de biotite. La troisième est riche en veinules pegmatoides d'un type à longues aiguilles d'amphibole. Plus généralement, les roches éruptives de la vallée du Portillon s'ordonnent selon trois familles : (¤) Une famille de roches de composition dioritique, correspondant au complexe basique. (¤) Une famille de roches de composition granodioritique, à savoir le granite à GCF. (¤) Une famille de roche s de composition granitique, comprenant le granite pauvre en GCF et le granite à grain fin et à muscovite. Ces trois familles composent une lignée calco-alcaline. Le rapprochement entre les deux coupes NS ici présentées (Figures X et XII) et la coupe de Clin et al. (1963) de la partie Sud du massif permet d'esquisser une coupe générale du massif du Lys Caillaouas au niveau de la vallée du Portillon. Cette coupe approximative est faite au 1/20000e et sa direction va du Nord au Sud (Figure 9 9). Les figurés sont ceux des cartes données dans le préambule. Le modèle de mise en place des liquides silicatés correspondant à cette coupe est donné dans les conclusions pétrologiques. Le complexe basique s'explique de manière satisfaisante par la cristallisation in situ d'un liquide de composition dioritique. Cette cristallisation s'est faite de manière régulière à la base et au plafond de l'intrusion mais elle a pris un caractère oscillatoire au centre de celle-ci du fait d'un déplacement plus lent du gradient thermique : D'où la formation litée. Le cumulat plagioclasique et la tonalite à GCE correspondant à des teneurs anormales en eau, trop basse dans le premier cas et trop haute dans le second. L'injection pegmatoide d'un liquide de fin de cristallisation dans l'apex de cette intrusion a donné naissance au type à longues aiguilles d'amphibole. Seules des données expérimentales ayant trait à un magma saturé en eau existent pour les roches du complexe basique : Les informations thermométriques que l'on peut en déduire sont donc d'un intérêt limité, car très éloignées de la réalité. Le granite à GCF présente des textures qui traduisent une lente cristallisation tout au long de sa mise en place. L'existence de GCF permet de supposer une teneur en eau faible, de même que la modestie du cortège filonien : 1 à 2 % paraît une valeur raisonnable. Les travaux expérimentaux de Whitney (1975) permettent de donner une idée des températures d'apparition des minéraux dans l'hypothèse d'une fusion sous 7 à 8 kbar et d'une mise en place sous 2 à 3 Kbar : 1150°C pour le plagioclase, 1 050°C pour le quartz et 950°C pour le feldspath alcalin, le solidus se situant aux alentours de 700°C. Ces températures sont des maxima, car déterminées à partir de mélanges ne contenant ni MgO ni FeO. Les températures réelles sont probablement de 50 à 70°C plus faibles. La précipitation des GCF intervient entre la fin de l'ascension magmatique et la mise en place définitive, ce qui en fait des indicateurs précieux pour la direction de l'écoulement magmatique. Le manque de données thermodynamiques ne permet pas de dire grand-chose du granite à grain fin et à muscovite ni du granite pauvre en GCF.

Les amas de pyrite de Niccioleta sont encaissés dans des lentilles d'anhydrite interstratifiées dans des micaschistes probablement Siluro-Devoniens. Certains caractères chimiques du milieu évaporitique (Mg et B) sont bien conservés par le métamorphisme épizonal (400-450°C, 2-3 kbar). Les minéralisations et les skarns, certains dérivant de l'anhydrite, ont pour origine une intense métasomatose de percolation par des solutions ferrifères à environ 475°C et 1 kbar. Ces phénomènes hydrothermaux sont liés à l'alimentation par des solutions salines, d'origine marine, d'un système géothermique (anté-Larderello) au Miocène supérieur Les conditions physicochimiques, les mécanismes des transformations et les compositions des solutions ont été précisés et quantifiés à l'aide d'une modélisation faisant appel aux données thermodynamiques disponibles pour les solutions salines à haute température et à haute pression. Le modèle représente une contribution à la connaissance des minéralisations hydrothermales et métasomatiques, et à celle des mécanismes minéralisateurs induits par les circulations de solutions aqueuses chlorurées.

Des recherches d'extensions ont été entreprises sur les anciens travaux (10e siècle) du gisement D'imiter (Djebel Sarho - Anti Atlas - Maroc). Les minéralisations s'inscrivent dans deux séries précambriennes. (1) Une série du P II de type flysh à caractère de turbidites distales avec bancs de schistes pyriteux et coulées andésitiques interstratifiées, affectée d'un plissement isoclinal N 80° - 800N, et légèrement métamorphisée par l'intrusion de deux massifs granodioritiques tardi P II. (2) Une série du P II-III de type f lysh grossier débutant par 15 mètres de tufs et reposant en discordance sur la série précédente (N 50° 30°N). Des dykes de roches filoniennes (keratophyres et andésites) recoupent les séries P II et P II-III. Un complexe volcanique P III se trouve en contact faillé avec le P II et le P II -III au Nord du domaine minier. Les corps minéralisés à faciès en stockwerks, alignés sur des directions E-W montrent un contrôle structural net par deux directions EW et NS. Dans les schistes du P II, les bancs pyriteux exercent un contrôle chimique de type fahlbande sur l'enrichissement de colonnes minéralisées. Les principaux minéraux de la paragénèse sont : Sidérite, quartz, dolomite, oxydes de fer, wads, galène, blende, pyrite, chalcopyrite, mispickel, argent natif amalgamé à du mercure, freibergite, tétraédrite, cérusite, argentite. Les caractères d'oxydation et de cémentation ressortent. Une étude géochimique statistique montre l'existence d'une zonalité et d'associations entre éléments accompagnateurs relevant de processus hypogènes ou supergènes. Aucune hypothèse génétique (lien avec la granodiorite, avec les dykes, reconcentrations à partir des sédiments) ne s'applique au gisement que l'on rattachera au type II de Monsieur Pelissonnier, avec éventuel passage à la Bi, Co, Ni, et au type 12.

Les massifs granitiques sont formés d'intrusions polyphasées constituées de granites à deux micas, granites à muscovite-grenat et aplopegmatites. Trois suites non comagmatiques évoluant des granites à deux micas aux granites à muscovite-grenat et aux aplopegmatites sont mises en évidence : Deux suites à Campo Formoso (une suite précoce en position périphérique et une suite tardive formant le coeur du massif) et une à Carnaiba. Dans chaque suite, l'évolution du chimisme des roches et des minéraux est compatible avec un modèle de cristallisation fractionnée combiné avec un mélange entre liquide silicate et cumulat, proche d'un cumulat total dans la plupart des cas. Le caractère peralumineux des granites est acquis au cours d'évolution. Les granites de la suite précoce de Campo Formaso ont subi un processus de contamination (Mg, Ni, Co, Cr et V).les phlogopites comportent cinq zones. Des zones internes vers les zones externes, la composition de la phlogopite évolue avec des sauts, à Al et Fe décroissants, Si, Mg et K/Al croissants, auxquels correspondent des fronts séparant des zones de phlogopitites à habitus pétrographiques différents. Parallèlement, l'amphibole évolue depuis une actinote jusqu'à une trémolite (à hornblende trémolitique) et le spinelle d'une chromite alumineuse à une magnétite chromifère. La minéralisation est essentiellement à béryl et molybdénite, associée à la phase d'altération primaire et en partie à la phase de muscovitisation. L'occurence de béryl chromifère (émeraude) est liée à la disponibilité de l'alumine (zone 4b et plagioclasite), et du chrome mis en solution lors de la percolation. Le préenrichissement magmatique en Be étant peu efficace, la présence de minéralisations en émeraudes est plutôt liée à l'efficacité du piège métasomatique, tant pour expliquer la quantité, somme toute peu élevée, de béryl que la qualité des gemmes : L'existence de forts gradients chimiques.

Les éléments volatils, principalement l'eau, sont enrichis dans les magmas d'arcs. Ils jouent un rôle prépondérant dans le magmatisme de zone de subduction, que ce soit en permettant la fusion du manteau ou en influençant l'explosivité des éruptions en surface. L'objectif de cette étude est la caractérisation (en éléments majeurs, traces, volatils et isotopes du bore) des liquides primaires des magmas d'arcs et de leurs sources, afin de discuter de l'influence des phases mobiles issues du slab dans leur genèse. L'approche adoptée est l'analyse des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes de quatre volcans répartis dans trois zones de subduction : Vulcano, dans l'arc Eolien (Italie), le Mont Shasta, dans l'arc des Cascades (Californie, Etats-Unis), le Pichincha et le Pan de Azucar, dans l'arc Equatorien. Les inclusions primaires étudiées contiennent des liquides basaltiques sous-saturés en silice, plus ou moins riches en CaO, dérivant d'une source mantellique veinée de zones riches en amphiboles (±clinopyroxène, ±phlogopite) et ayant subi un degré variable de métasomatisme. Leurs compositions en éléments traces illustrent l'enrichissement de leurs sources mantelliques par des composés mobiles issus du slab et de compositions contrastées. Il existe d'importantes variations des compositions en éléments volatils entre les inclusions provenant de plusieurs échantillons d'un même volcan (le Mont Shasta), celles provenant de plusieurs volcans d'une même zone de subduction (le Pichincha et le Pan de Azucar) ainsi qu'entre les inclusions des trois zones de subduction étudiées (arc Eolien, arc Equatorien et arc des Cascades). L'étude de l'évolution des teneurs en éléments volatils en fonction des pressions de saturation indique que seules les teneurs en Cl et F des inclusions magmatiques sont représentatives des teneurs du magma primitif. Le dégazage précoce et la formation de globules de sulfure affectent les teneurs en H2O, CO2 et S, qui peuvent être utilisées en tant qu'estimations minimales des teneurs des magmas primitifs. Les compositions en Cl des sources mantelliques des inclusions étudiées varient de 3±1 ppm à 450±125 ppm et celles en F varient de 16±6 ppm à 147±32 ppm (Cl/F de 0,2±0,1 à 3,6±1,2). L'association des rapports Cl/F des sources avec l'enrichissement en Nb (par rapport aux MORB) des inclusions et leurs valeurs isotopiques en bore suggère la participation de deux principaux composés mobiles dans la source de ces inclusions : (1) un liquide silicaté issu de la fusion des sédiments déshydratés (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pan de Azucar, qui possèdent des faibles δ11B ainsi qu'un fort enrichissement en Nb par rapport aux MORB) ; (2) un fluide aqueux formé lors de la déshydratation de la croûte océanique (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pichincha). Selon les propriétés physico-chimiques des différentes zones de subduction, ce fluide peut avoir les caractéristiques d'un fluide supercritique et être plus ou moins riche en éléments traces. Les compositions des inclusions de la Sommata (Italie) et de l'échantillon 95-15 du Mont Shasta montrent des enrichissements intermédiaires de leurs sources comparé à celles des inclusions du Pichincha et du Pan de Azucar. Leurs sources semblent avoir été métasomatisées par un mélange entre les deux composés métasomatiques décrits ci-dessus.