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.

Le fer est nécessaire à la vie. Alors qu'il se trouve en abondance à la surface terrestre, il est extrêmement rare à la surface de l'océan (quelques nanogrammes par litre d'eau de mer), de sorte qu'il y limite la production primaire dans de nombreuses régions et donc le pompage du CO2 atmosphérique par l'océan. Le cycle océanique du fer est donc un maillon essentiel du système climatique. Alors que depuis une trentaine d'années les biogéochimistes marins ont concentré leurs efforts sur l'étude des concentrations de fer dans l'océan, il est devenu possible, depuis quelques années, d'étudier les isotopes du fer dans l'océan. Nous verrons en quoi ces isotopes nous apportent de nouvelles informations sur les sources de fer à l'océan et sur son cycle au sein de l'océan.

Le marché de la pierre de construction représente une activité économique mondiale importante. Les échanges internationaux favorisent de potentielles substitutions, parfois frauduleuses, entre des pierres aux faciès comparables mais de provenances diverses. Il devient donc important de développer un outil de certification de la provenance des pierres de construction. Cette étude développe différentes méthodes d'identification (pétro-géochimie et/ou magnétisme) de pierres de construction de types granitique (Silverstar du Tarn, rose de La Clarté, gris bleu de Louvigné et bleu de Lanhélin) et sédimentaire (calcaire de Comblanchien) afin de pouvoir en certifier la provenance. De manière univoque, elle individualise ces pierres de construction françaises de potentiels concurrents commerciaux. Notre analyse utilise aussi des outils statistiques pour rendre compte de la variabilité intrinsèque des roches étudiées, quantifier la dissimilarité de roches de provenances différentes ou en établir, le cas échéant, la similarité. Au préalable l'échelle spatiale à laquelle une pierre de construction peut être considérée comme homogène est vérifiée. Des échantillons issus de carrières différentes sont comparés. Nos résultats et l'approche générale illustrée dans ce travail ne sont pas seulement d'intérêts pour les professionnels mais pour toute personne utilisant les pierres de construction à des fins industrielles. Cette étude montre qu'une caractérisation approfondie des pierres de construction peut en permettre la distinction en termes de provenance, et donc offre la possibilité de leur attribuer une carte d'identité, et si nécessaire un label commercial.

La marge du sud-est du Brésil est une marge passive élevée présentant des évidences d'activité magmatique et tectonique post-rift (intrusions alcalines et bassins sédimentaires). Nous avons mené une étude structurale et de thermochronologie (traces de fission et U-Th/He sur apatite) pour contraindre les âges, l'amplitude, les directions de contraintes et les causes de ces réactivations. La modélisation des données thermochronologiques nous a permis de mettre en évidence deux phases d'exhumation généralisée sur la région au Crétacé Supérieur et au Néogène. Une troisième phase durant le Paléogène est concentrée le long des bassins tertiaires. Au total, depuis la zone côtière jusqu'à la Serra da Mantiqueira, l'exhumation post-rift atteint 4.5 km. Une étude des profils sismiques du bassin de Taubaté, et des données d'affleurement a montré que les bassins tertiaires se formaient en transtension senestre au Paléogène, avec des contraintes compressives orientées SW-NE puis étaient réactivés en transpression dextre durant le Néogène sous l'effet de contraintes compressives E-W. Les âges, comme la cinématique des réactivations sont compatibles avec ceux inférés pour d'autres zones de la plaque sud-américaine ainsi qu'avec la cinématique de la convergence Nazca-Amérique du Sud. Nous avons donc conclu qu'un état compressif de l'ensemble de la plaque sud-américaine, sous l'effet des forces de ridge-push et de traction mantellique, était responsable de la réactivation des zones de faiblesses héritées, et provoquait les différentes phases de réactivation de la marge sud-est du Brésil, provoquant sa surrection et façonnant ainsi la topographie que nous connaissons aujourd'hui.

Les tourbières remplissent une importante fonction de régulation des cycles biogéochimiques. Elles sont très sensibles aux modifications du régime hydrologique qui résultent du climat ou de pressions anthropiques. Le travail présenté dans cette thèse applique une approche interdisciplinaire en combinant hydrologie, géophysique, hydrochimie, biologie et modélisation numérique. Le site d'investigation est une prairie tourbeuse située dans la presqu'île du Cotentin, en Normandie. L'approche par datation des eaux souterraines a permis d'acquérir une compréhension conceptuelle de l'aquifère. La modélisation met en évidence les interactions entre l'aquifère et la zone humide et prédit un impact important d'un accroissement du pompage et du changement climatique sur les niveaux d'eau pouvant provoquer un assèchement de la tourbe et sur les débits des cours d'eau. L'étude confirme que la vulnérabilité biochimique de la tourbe aux changements environnementaux, tel que l'état d'aération, est très dépendante de la qualité de la tourbe. Une tourbe plus dégradée, où les teneurs en nutriments et biomasse sont plus faibles, est plus sensible aux processus d'oxydation, qui entraînent une acidification importante, un relargage de sulfates et un lessivage de cations. Les résultats confirment que des conditions anaérobies doivent être favorisées dans la gestion des tourbières, mais qu'une légère fluctuation des niveaux n'altère pas son fonctionnement.

Les contaminations fécales d'origine humaine ou animale contribuent à la dégradation des écosystèmes et affectent la qualité de l'eau avec des risques pour la santé publique par l'exposition à des agents pathogènes. Afin de réduire ces risques et d'améliorer la qualité de l'eau, il est nécessaire de développer des outils capables d'identifier les sources de contaminations fécales. Cet enjeu est exacerbé en Europe par le durcissement des directives sur les eaux de baignade et les eaux conchylicoles et l'obligation de procéder à l'identification et à la hiérarchisation des sources de contaminations. Cette thèse s'est attachée à valider l'utilisation des stéroïdes en tant que traceurs des sources de contaminations fécales des eaux de surface. La méthode utilisée est basée sur une analyse en composante principale de six stanols fécaux. L'approche scientifique a été menée en trois étapes, de l'échelle moléculaire à l'échelle du bassin versant. La spécificité des stéroïdes et l'homogénéité des sources ont été étudiées sur des déjections bovines, porcines et sur des influents, effluents et boues de stations d'épuration domestiques. Puis, la conservation et la persistance des empreintes stéroïdes ont été évaluées au cours du transport des échantillons sources vers le milieu naturel récepteur par des expérimentations en conditions contrôlées. Enfin, la méthode développée a été validée à l'échelle de deux bassins versants sujets à des contaminations fécales récurrentes multi-sources. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail permettent de valider l'utilisation des stéroïdes en tant que traceurs opérationnels de l'origine des contaminations fécales.

La réaction de serpentinisation résulte de l'interaction de l'eau de mer, ou de fluides hydrothermaux avec les roches mantelliques. Elle engendre des changements de propriétés chimiques de la lithosphère océanique, avec notamment un enrichissement en éléments mobiles (ex. As, Sb, Li, Cs, Pb, et B). Ces éléments sont importants en sciences de la terre car ce sont des traceurs géochimiques des interactions fluides-roches depuis la ride océanique jusqu'aux zones de subduction. Cependant il existe peu d'études quantitatives s'intéressant à la séquestration de ces éléments durant la formation de serpentine. Ce travail de thèse a pour but de caractériser le partitionnement de certains éléments mobiles entre un fluide et la serpentine de manière expérimentale. Pour cela, nous avons développé deux protocoles expérimentaux en condition alcaline. Le premier, consiste en la synthèse de chrysotile à partir d'un gel à la stoechiométrie de la serpentine, à 300 °C et Psat. Pour le second protocole, la serpentine est obtenue par altération de grains d'olivine San Carlos (granulométrie : <30 µm, 30-56 µm, >56 µm) à 200 °C (Psat) pour 1M de NaOH et en présence de carbonate (HCO3-). La minéralogie des produits expérimentaux ainsi que leurs abondances modales ont été déterminées par diffraction des rayons-X, spectroscopie infrarouge et analyse thermogravimétrique. Les propriétés texturales ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage et à transmission haute résolution. La composition du produit solide a été mesurée par spectrométrie de masse et analyse par microsonde-éléctronique et l'état d'oxydo-réduction du fer a été déterminé par analyses Mössbauer. Des analyses d'absorption des rayons-X (XAS) ont été effectuées afin d'analyser la structure locale de l'antimoine et de l'arsenic. La combinaison de ces techniques analytiques a permis de montrer que la synthèse de chrysotile pur à 300 °C est effective après seulement 8 heures de réaction. A 200°C, l'olivine est remplacée (pseudomorphose) par le chrysotile et la brucite suivant la réaction : 2〖Mg〗_1.8 〖Fe〗_0.2 〖SiO〗_4+3H_2 O=>〖(Mg〗_0.86 〖Fe(II)〗_0.12)(〖OH〗_2 )+(〖Mg〗_0.92 〖Fe(II)〗_0.03 〖Fe(III)〗_0.05 )_3 〖Fe(III)〗_0.04 〖Si〗_1.96 (OH)_4 Le remplacement est total après 1 mois (<30 µm) et 3 mois (30 et 56 µm). En présence de carbonate, l'altération de l'olivine est caractérisée par une cinétique plus lente et est contrôlée par la précipitation de la magnésite et de la lizardite. En reprenant les 2 protocoles expérimentaux de synthèse de chrysotile (1M NaOH), et en dopant le fluide en un élément trace (Li, As, Cs, Sb et B) le partitionnement des éléments mobiles a pu être étudié. Le coefficient de partage solide-fluide (KD) a pu être défini pour chaque élément durant la synthèse du chrysotile à 300 °C en modélisant nos résultats suivant l'équation de Langmuir (concentrations en solution de 5 à 2000 µg g-1). La séquence obtenue pour les coefficients de partage est la suivante : 0.5

Ce travail propose des éléments de description de roches naturelles en même temps qu'une réflexion sur quelques outils théoriques permettant d'appréhender la formation des roches métasomatiques, c'est à dire qui dérivent de transformations chimiques. A Costabonne (Pyrénées Orientales, France), des skarns se développent dans les niveaux de base de la série cambrienne de Canaveilles, au contact du granite hercynien dit de Costabonne. Plusieurs types de roches se font transformer en skarns: granites, marbres calcaires et dolomitiques, cornéennes calciques, schistes pélitiques et marbres à brucite. Les principaux systèmes de zones métasomatiques qui se développent sur les quatre premiers types de roches sont décrits. .Les transformations se font sur toute une gamme de conditions, ce qui peut amener les systèmes de zones à évoluer au cours du temps: ceci est particulièrement net dans le cas des skarns sur dolomies. Les conditions ont pu varier de (P > 2kb, T> 680°C) pour le début de la formation des skarns (eaux magmatiques -ou métamorphiques?-) jusqu'à (P < 2 kb, T < 200°C) pour les derniers stades (deux types d'eaux météoriques). Ces estimations reposent sur des données sur les inclusions fluides et la géochimie des isotopes stables (H, O, S, C) dont on propose une synthèse. La transformation des marbres est guidée au premier chef par l'apport de la silice et du fer tandis que celle des granites (et des schistes) est guidée par l'apport du calcium. Un aperçu sur le comportement spatial de divers éléments chimiques est donné. Les divers types de zonations sont illustrés par des photographies. Le modèle de la chromatographie proposé par Korzhinskii (1970) décrit de façon qualitative la formation des roches métasomatiques, et en particulier la propagation de fronts nets de transformation qui sont une caractéristique essentielle des skarns. Ce modèle a été repris et clarifié du point de vue théorique. Les conditions d'apparition même des fronts qui tiennent au conflit entre les vitesses des différentes compositions, sont reprécisées pour des conditions initiales et aux limites pouvant être quelconques. Il est commode de représenter ces fronts par des vraies discontinuités mathématiques, ce qui conduit à reprendre les formulations en se plaçant dans le cadre dit des distributions (en suivant ce qui est fait habituellement sur ce type de problème ou problème hyperbolique). L'existence et la propagation de discontinuités s'intègrent alors dans le modèle par une condition dérivée du second principe de la thermodynamique à rajouter au bilan matière: le front traduit ainsi l'instabilité d'une partie des compositions. Tout ceci a un intérêt plus général et permet de discuter l'apparition de discontinuités de composition à chaque fois qu'un mouvement différentiel entre deux entités (fluide aqueux/solide, liquide magmatique/solide) avec tendance à l'équilibre chimique a lieu. Des pistes d'application dans d'autres domaines (diagenèse, magmatisme) sont proposées. On peut s'attendre à ce que dans certaines conditions des strates apparaissent par compaction, ou à ce qu'un magma se sépare en sous-groupes distincts de compositions différentes au cours de son transport. L'effet de la variation de la porosité est analysé. On propose ensuite des simulations numériques pour l'échange de un et deux constituants. Dans le cas de deux constituants, l'effet des couplages est discuté. Dans certaines conditions particulières, les zonations peuvent être récurrentes et présenter des alternances ABAB etc. et l'on replace la situation de ce type de zonation dans le cadre du modèle d'ensemble. On parle enfin de deux autres approches : la première repose sur le dénombrement des degrés de liberté dans le cadre de la règle des phases et fait apparaître un système de zones comme un système lié. Dans la seconde on fait la proposition préliminaire d'une métrique dans les diagrammes en potentiels chimiques en utilisant le tableau des coefficients phénoménologiques Lij ; dans ce cadre, un principe de moindre distance permet, dans des conditions qui sont précisées, de relier deux points du diagramme représentant des situations contrastées et définir ainsi un trajet. On termine par quelques réflexions à caractère épistémologique consacrées en particulier au problème de la compréhension " scientifique " d'événements singuliers. Ces résultats s'appuient sur les travaux de toute une équipe, essentiellement stéphanoise.

Divers types de roches de la série cambrienne de Canaveilles se font transformer en skarns au voisinage du granite hercynien de Costabonne (Pyrénées orientales). Le présent travail s'intéresse plus spécialement aux skarns formés sur les marbres et dolomies massives (première partie). Dans ce dernier cas, une zonation très fréquemment rencontrée voit la succession : dolomie / calcite + forstérite / diopside / clinopyroxène salitique / grenat grossularitique. Les différents minéraux rencontrés sont analysés à la microsonde électronique. Un grenat andraditique a pu se développer de façon précoce, avant le grenat grossularitique, et les zonations métasomatiques ont pu évoluer au cours du temps. Les altérations des minéraux primaires voient le développement d'amphiboles, de quartz, de sulfures et d'un minéral de tungstène : la scheelite. Dans une deuxième partie, une réflexion à caractère théorique est proposée sur la formation des skarns (discussion du modèle de Korzhinskii) et une règle des phases généralisée à un système de zones métasomatiques est présentée. La troisième partie est consacrée à l'analyse des conditions de pression, température etc. qui ont prévalu lors de la formation des skarns, ainsi qu'à la discussion des compositions isotopiques (S, C, O) des skarns et encaissants ; on met en évidence une source externe, à la fois en carbone, soufre et oxygène (source " profonde ") pour le fluide qui a percolé. Les mesures des compositions isotopiques d'autres skarns des Pyrénées, porteurs ou non de scheelite (Salau, Roc Jalère, Lacourt), indiquent que la condition d'une minéralisation en tungstène est la présence d'un fluide ayant une telle signature isotopique " profonde ". La comparaison entre les skarns de Salau et Costabonne met en évidence le rôle réducteur du carbone des marbres de l'encaissant sur la nature des associations minérales des skarns à Salau.

La région de Conselheiro Pena et Galileia est située dans l'est de l'état de Minas Gerais (sud-est du Brésil). Elle fait partie du nord de la ceinture de cisaillement atlantique et est formée par des gneiss d'âge protérozoique inférieur et par des séquences supracrustales considérées d'âge néoprotérozoique. Deux phases de déformation et un métamorphisme de moyen degré ont affecté la région pendant le cycle Brasiliano. La phase D1 s'associe à des mouvements décrochants dextres. Cette phase a été suivie tardivement par la phase D2, caracterisée par une phase d'extension. La suite Galileia et la suite Urucum ont une ascension et mise en place associées à la déformation D1. Les granitoïdes de la suite Galileia (594±6 Ma) sont constitués par des tonalités, tonalogranodiorites, granodiorites, granites et microgranites. Dans l'ensemble, ces granitoïdes sont métalumineux à peralumineux avec une affinité calco-alcaline. Ils ont eu une origine sous des pressions d'environ 10 kbars et des températures entre 850°C et 700°C. L'étude isotopique indique une origine à partir de la fusion de roches crustales. Les leucogranites de la suite Urucum (582±2 Ma) sont représentés par des granites peralumineux. Elles ont été cristallisées entre 750°C et 600°C et sous des pressions de l'ordre de 4 KBars dans un environnement riche en fluides. L'origine de cette suite à partir de la fusion de roches crustales est indiquée par les études isotopiques, par la composition et typologie des zircons et aussi par la présence commune de curs de zircons hérités. Les observations de terrain et les études minéralogiques et géochimiques montrent qu'il existe une relation étroite entre les leucogranites de la suite Urucum et les pegmatites à éléments rares de la région. Nous pouvons envisager un modèle de genèse évoquant une fusion du manteau et, en suite, de la croûte due à l'épaississement des marges continentales sous un régime tectonique transpressional associé à la fin du cycle Brasiliano.