Le carbone est un élément essentiel à la surface de la Terre. Il entre aussi bien dans la composition de certains minéraux (carbonates) que dans les molécules du vivant. Les roches métamorphiques contiennent également des matériaux carbonés (MC) dont l’origine peut être variée. Les MC sous forme solide (matériaux carbonés partiellement ou parfaitement graphitisés) jouent un rôle majeur dans l’évolution pétrologique et géochimique d’une roche enfouie en zone de subduction. Si notre connaissance des MC métamorphiques a largement progressée ces dernières années sur la base d’études naturalistes, expérimentales ou théoriques, il reste de nombreuses questions par exemple autour de la détermination des sources des MC dans les roches métamorphiques. Le rôle des minéralisations en tant que facteur de préservation des MC d’origine biologique (biogénique) est encore mal compris. Nous avons étudié des échantillons naturels (formation Marybank, Nouvelle Zélande) métamorphisés dans le facies schiste bleu et contenant des fossiles végétaux graphitisés et montrant une remarquable préservation morphologique. Nous dressons ainsi un inventaire des processus minéralogiques et chimiques ayant contribué à préserver, ou oblitérer, certaines informations portées par le matériau biologique originel, et plus généralement par le fossile. Pour ce faire, nous avons employé des techniques de caractérisation minéralogiques et géochimiques à haute résolution spatiale des MC fossiles et des minéraux. Nous montrons ainsi que la remarquable préservation morphologique s’accompagne d’une recristallisation avancée de la minéralogie et des MC constituant le fossile. Nous mettons aussi en évidence la présence spectaculaire de nanoparticules de TiO2 dans les MC des fossiles et nous discutons des mécanismes possibles de formation de ces minéralisations exceptionnelles.Il existe des mécanismes complexes, abiotiques, fortement liés aux interactions fluide-roche et permettant la formation de MC graphitiques dans les roches métamorphiques. Ces processus rendent complexe l’étude et l’interprétation des MC dans les roches. Toutefois, ils révèlent le rôle majeur des fluides et des assemblages minéraux dans la dynamique métamorphique du carbone. Nous avons réalisé l’étude détaillée d’un contact entre des serpentinites et des métasédiments (Malaspina, Corse Alpine) au niveau duquel les métasédiments sont décarbonatés. A cause des conditions réductrices imposées par les serpentinites sous-jacentes, le carbone inorganique ainsi libéré précipite sous forme de graphite. Nous employons des méthodes géochimiques, minéralogiques et pétrologiques complémentaires qui permettent de distinguer différentes catégories de matériaux carbonés dans ces roches, mais aussi de proposer un scénario bien contraint de formation abiotique du graphite. Cette étude permet alors de discuter du rôle des gradients redox sur la dynamique du carbone dans une roche métamorphique. L’ensemble de ces travaux sont autant d’exemples qui soulignent certains aspects encore peu explorés du rôle pétrologique fondamental des MC dans les roches métamorphiques. / Carbon is an essential element on the Earth’s surface. It is involved in the formation of certain minerals (carbonates) as well as biomolecules. Metamorphic rocks also contain carbonaceous materials (CM) with various possible origins. Solid CM (partially or completely graphitized CM) play a major role in the petrological and geochemical evolution of a subducted rock. If our knowledge of metamorphic CM increased over the last years based on naturalist, experimental or theoretical studies, many issues remain as to the source of CM in metamorphic rocks for example.The role of mineralization as a factor of preservation of CM of biological origin (biogenic) is still poorly understood. We studied natural samples (Marybank formation, New Zealand) metamorphozed in the blueschist facies and which contain carbonaceous plant fossils that display a remarkable morphological preservation at the microscopic scale. We investigate mineralogical and chemical processes that contributed to preserve, or obliterate, information carried by the original biomaterial, and, more generally, by the fossil. To do so, we have characterized the fossils and the minerals using analytical technics with high special resolution. We show that the remarkable morphological preservation is accompanied by the advanced recristallization of the mineralogy compositing the fossils. We also show the presence of spectacular TiO2 mineral nanocristals in the CM composing the fossils and we discuss about possible mechanisms leading to the formation of these exceptional mineralizations.Complex abiotic processes, intimately linked to fluid-rock interactions, allow the formation of graphitic CM in metamorphic rocks. These processes hinder the study and interpretation of CM in rocks. Nevertheless, they also reveal the major role of fluids and mineral assemblages in the metamorphic dynamics of carbon. We carried a detailed study of a contact between serpentinites and metasediments (Malaspina, Alpine Corsica) that display complete carbonate destabilization. Because of the reduced conditions imposed by the underlying serpentinite, the inorganic carbon released has precipitated and formed graphite. We use geochemical, mineralogical and petrological complementary tools that allow to distinguish different categories of CM in these rocks, and we propose a well constrained scenario for the formation for this abiotic graphite. This study allows discussing the role of redox gradients on the dynamics of carbon in a metamorphic rock.These are all examples stressing the important, and yet poorly explored, petrological role of CM in metamorphic rocks.

La monazite est présente comme minéral accessoire dans la plupart des environnements géologiques. Elle est souvent riche en U et Th, n’incorpore pas (ou peu) de Pb initial et son système isotopique (U-Th-Pb) est résistant à la diffusion dans la majorité des conditions crustales, ce qui en fait un chronomètre très attractif. De plus, elle constitue la principale source de Th et une des principales sources de terres rares (REE) contenus dans la croûte terrestre. En présence de fluide, la monazite peut recristalliser par un processus de dissolution-précipitation couplée, avec une composition chimique et/ou isotopique différente de la monazite initiale. Ces recristallisations impliquent alors une redistribution des éléments contenus par la monazite (REE, Th, U, Pb) et la compréhension de la mobilité de ces éléments stratégiques est cruciale pour leurs aspects économiques (ressources en lanthanides et actinides) et environnementaux (contexte de stockage des déchets).Cette thèse vise à étudier le comportement de la monazite lors des interactions fluide-monazite et son potentiel comme traceur chronomètre et traceur géochimique des minéralisations hydrothermales. Pour cela une approche pluridisciplinaire a été adoptée, combinant minéralogie, pétrologie expérimentale, géochronologie, et tectonique. Les travaux présentés s’organisent en deux parties: l’une concernant la datation de monazites hydrothermales de fentes alpines, et l’autre des expériences d’altérations hydrothermales en laboratoire.Une quarantaine de cristaux de monazite et une dizaine de cristaux de xénotime ont été collectés dans des fentes alpines (veines hydrothermales se formant durant l’exhumation) des domaines externes (Argentera, Belledonne et Mont-Blanc) et internes (zone Briançonnaise). La datation U-Th-Pb in-situ par LA-ICP-MS a permis de mieux contraindre l’âge et la durée des circulations hydrothermales pendant les épisodes de déformation tardifs liés à l’exhumation des Alpes occidentales. Les analyses d’inclusions fluides dans la monazite couplées à des âges traces de fission sur zircons ont apporté de nouvelles contraintes sur le gradient géothermique induit par les circulations fluides dans les veines hydrothermales. L’analyse systématique des produits expérimentaux (monazite et fluide) de 18 expériences hydrothermales a permis de confirmer la mobilité des éléments comme l’uranium ou les terres rares lourdes lors des réactions hydrothermales. L’étude à l’échelle nanométrique des domaines de monazite recristallisée a mis en évidence un nouveau mécanisme de remplacement caractérisé par la propagation du front de réaction à l’aide de nano-pores et nano-fractures. Ce mécanisme conduit à un remplacement anisotrope et à un mélange de nano-domaines de monazite primaire et recristallisée. Ces observations ont des implications majeures pour le stockage des déchets radioactifs ou en géochronologie pour expliquer les perturbations des âges monazites ayant réagi avec un fluide dans les milieux hydrothermaux ou métamorphiques. / Monazite is commonly found in most of geological environments. Monazite can be rich in uranium and thorium, does not incorporate lead, and its isotopic (U-Th-Pb) system is very robust to diffusion in most of crustal conditions, which makes it a very attractive chronometer. In addition, it represents the main source of thorium and a major source of rare earth elements (REE), in the crust. During fluid-monazite interaction, monazite can recrystallize by a coupled dissolution-precipitation process, with a chemical/isotopic composition different from the initial monazite. These recrystallizations involve a redistribution of the elements contained in monazite (REE, Th, U, Pb) and understanding of the mobility of these strategic elements is crucial for their economic (lanthanides resources and actinides) and environmental (storage of radioactive waste) aspects.The aim of this thesis is to investigate the behaviour of monazite during fluid-monazite interactions and its potential as chronometer and geochemical tracer of fluid mineralization, via a multi-disciplinary approach including mineralogy, experimental petrology, geochronology and tectonic. The work presented here is organized in two parts: one on Alpine hydrothermal monazite dating and the other on the results of hydrothermal alteration experiments in laboratory.About forty monazite and ten xenotime crystals were collected in Alpine clefts (hydrothermal veins formed during exhumation) of the external (Argentera, Belledonne, Mont-Blanc) and the internal (Briançonnais Zone) domains. The LA-ICP-MS in-situ U-Th-Pb dating allowed to better constrain the age and duration of hydrothermal circulation during the late deformation stages related to the exhumation of the western Alps. The fluid inclusion analysis of monazite crystals coupled with zircon fission-track dating have brought new constrains on the geothermal gradient induced by fluid circulations in the hydrothermal veins. Systematic analysis of experimental products (monazite and fluid) of 18 experiments confirmed the mobility of elements such as uranium or heavy REE during hydrothermal reactions. The nanoscale study of monazite recrystallized domains showed a new replacement mechanism characterized by the propagation of the reaction front through nano-pores and nano-fractures. This mechanism leads to anisotropic replacement and a mixture of nano-domains of primary and recrystallized monazite. These observations have major implications for the storage of radioactive waste or in geochronology to explain the disturbances of monazite ages that have reacted with fluid in hydrothermal or metamorphic environments.

Le carbone est un élément essentiel à la surface de la Terre. Il entre aussi bien dans la composition de certains minéraux (carbonates) que dans les molécules du vivant. Les roches métamorphiques contiennent également des matériaux carbonés (MC) dont l'origine peut être variée. Les MC sous forme solide (matériaux carbonés partiellement ou parfaitement graphitisés) jouent un rôle majeur dans l'évolution pétrologique et géochimique d'une roche enfouie en zone de subduction. Si notre connaissance des MC métamorphiques a largement progressée ces dernières années sur la base d'études naturalistes, expérimentales ou théoriques, il reste de nombreuses questions par exemple autour de la détermination des sources des MC dans les roches métamorphiques. Le rôle des minéralisations en tant que facteur de préservation des MC d'origine biologique (biogénique) est encore mal compris. Nous avons étudié des échantillons naturels (formation Marybank, Nouvelle Zélande) métamorphisés dans le facies schiste bleu et contenant des fossiles végétaux graphitisés et montrant une remarquable préservation morphologique. Nous dressons ainsi un inventaire des processus minéralogiques et chimiques ayant contribué à préserver, ou oblitérer, certaines informations portées par le matériau biologique originel, et plus généralement par le fossile. Pour ce faire, nous avons employé des techniques de caractérisation minéralogiques et géochimiques à haute résolution spatiale des MC fossiles et des minéraux. Nous montrons ainsi que la remarquable préservation morphologique s'accompagne d'une recristallisation avancée de la minéralogie et des MC constituant le fossile. Nous mettons aussi en évidence la présence spectaculaire de nanoparticules de TiO2 dans les MC des fossiles et nous discutons des mécanismes possibles de formation de ces minéralisations exceptionnelles.Il existe des mécanismes complexes, abiotiques, fortement liés aux interactions fluide-roche et permettant la formation de MC graphitiques dans les roches métamorphiques. Ces processus rendent complexe l'étude et l'interprétation des MC dans les roches. Toutefois, ils révèlent le rôle majeur des fluides et des assemblages minéraux dans la dynamique métamorphique du carbone. Nous avons réalisé l'étude détaillée d'un contact entre des serpentinites et des métasédiments (Malaspina, Corse Alpine) au niveau duquel les métasédiments sont décarbonatés. A cause des conditions réductrices imposées par les serpentinites sous-jacentes, le carbone inorganique ainsi libéré précipite sous forme de graphite. Nous employons des méthodes géochimiques, minéralogiques et pétrologiques complémentaires qui permettent de distinguer différentes catégories de matériaux carbonés dans ces roches, mais aussi de proposer un scénario bien contraint de formation abiotique du graphite. Cette étude permet alors de discuter du rôle des gradients redox sur la dynamique du carbone dans une roche métamorphique. L'ensemble de ces travaux sont autant d'exemples qui soulignent certains aspects encore peu explorés du rôle pétrologique fondamental des MC dans les roches métamorphiques.

La localisation de la déformation est un facteur essentiel à l’existence de la tectonique des plaques. Cependant, elle est le résultat d’interactions non-linéaires qui relient entre elles différentes échelles spatiales et temporelles que nous ne savons pas encore capturer dans un modèle rhéologique unique. Ce travail de thèse tente de combler en partie la fracture entre l’échelle pétrologique et celle de la mécanique à l’échelle crustale. Il cherche ainsi à mesurer l’impact des circulations de fluides sur la dynamique et la cinématique des dômes métamorphiques continentaux par le biais de modèles numériques d’échelle crus- tale. Pour répondre à cette question, nous avons cherché à établir un modèle empirique des écoulements de fluide et des interactions fluide-roche valide à l’échelle de la croûte. A cette échelle, il est important de capturer d’une part l’effet des circulations de fluides sur la densité qui détermine les forces de volume disponibles comme moteur de l’exhumation, mais aussi leur capacité à limiter ou accélérer la chute de résistance des bandes de cisaillement qui déterminent les forces de surface ralentissant l’exhumation. Ce modèle empirique est basé sur une observation au premier ordre du comportement métamorphique des roches le long d’un trajet P − T rétrograde : les roches métamorphiques de haut-grade (faciès amphibolite/granulite) sont exhumées vers la surface sans se rétromorphoser, excepté dans les zones où la déformation est localisée. Ce travail consiste donc à paramétrer cette observation de manière à pouvoir l’implémenter dans un code explicite thermomécanique 2D par le biais d’un couplage hydro-thermo-mécanique prenant en compte les échanges d’eau libre/eau liée avec la roche. Il introduit aussi la prise en compte simplifiée de l’hydrothermalisme lors de l’exhumation. Les résultats montrent que cette paramétrisation permet de mieux rendre compte des observations de terrain dans une gamme de paramètres validée par les mesures de laboratoire. Les résultats obtenus en limitant la rétromorphose des roches par la disponibilité de l’eau sont significativement différents de ceux obtenus dans les études publiées qui ne prenaient pas en compte ce paramètre. La thèse démontre notamment qu’il n’y a pas besoin d’hétérogénéités préexistantes pour obtenir des dômes asymétriques. Elle montre aussi que la chimie initiale de la roche peut exacerber ou diminuer la localisation de la déformation liée à la rétromorphose limitée par l’eau et contrôler ainsi la forme des dômes métamorphiques. / Strain localization is essential to the existence of plate tectonic on Earth. Yet, it is the result of non-linear interaction across several temporal and spatial scales and to date no unique rheological model exists that captures the effect of all these interactions at crustal scale. The work presented here is an attempt to fill part of the gap between out- crop scale and crustal scale models, between petrological scale and crustal scale. The central question is how to measure the effects of fluids and fluid-rock interactions on the dynamics and the kinematics of continental metamorphic core complexes by the mean of crustal scale numerical models. To answer this question, we have tried to esta- blish an empirical model of fluid flow and fluid-rock interaction, which could be valid at the scale of the crust. At that specific scale, it is important to capture the effects of free fluids both on the density of rocks, because it determines the body forces that are driving the exhumation of the crust, and on the strength of rocks and particularly on shear zones which constitute the ’hand-break’, the surface tractions, which resist this exhumation. This empirical model is based on a first order observation related to the behaviour of metamorphic rocks along the retrograde P − T path of their exhumation. High-grade metamorphic rocks (amphibolite/granulite) are indeed exhumed to the sur- face with very little retromorphose except those located within the shear bands where deformation localises. This works first consisted in parameterising this observation in a manner that could be implemented into a 2D thermo-mechanical code as an hydro- thermo-mechanical coupling which could account for free-water/rock-water exchange. In second part, a simplified scheme is introduced to account for hydrothermal cooling of the crust in the late stage of exhumation. The results show that this parameterization al- lows to better account for field observation in a range of parameters that are compatible with laboratory experiments. Limiting the retromorphose of rocks by the availability of free water is shown to produce significantly different metamorphic domes kinematics as compared to prior studies. We indeed demonstrate that it is not necessary to introduce heterogeneity in crustal composition to form asymmetric structures but that the effect of water is modulated by the chemistry of the protolith rocks which influences strain localization.

Des xénolites de péridotite provenant de deux localités du sud du Massif Central Français (Allègre et Mont Coupet), émis avec des modes éruptifs différents, ont été étudiés pour définir l’évolution du manteau sous continental et pour étudier le comportement de Li et H lors des réactions fluides roches lors de leur remonté vers la surface. Un ensemble de 6 xénolites représentatifs a été sélectionné pour chaque localité. La description pétrologique et minéralogique de chaque échantillon a été associée à la mesure des compositions chimiques en éléments majeur (par microsonde électronique) et trace (par LA-ICP-MS) des principales phases minéralogiques (Olivine, Pyroxène, Amphibole). La teneur et la composition isotopique du Li ont été mesurées par microsonde ionique (SIMS), et les teneurs en eau par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier (FTIR) et SIMS dans les pyroxènes et les olivines. Pour les xénolites d’Allègre, les anomalies négatives en HFSE et les rapports LREE/HREE élevés reflètent un métasomatisme lié à des liquides carbonatitiques, succédant à un processus de fusion partielle du manteau lithosphérique. Pour les échantillons du Mont Coupet, Les anomalies négatives en Ti et Nb des Cpx de tous les échantillons et les anomalies négatives de Zr et Hf pour deux échantillons plus fortement métasomatisés (MC38 et MC34) soulignent également un métasomatisme carbonatitique. Les amphiboles des échantillons MC36 et MC53, dont l'origine doit être associée à des fluides de subduction, sont à l’équilibre avec les Cpx coexistant, ce qui indique que le fluide qui a permis leur formation n’a pas enrichi les Cpx en LREE ou LILE. La composition isotopique de des xénolites d’Allègre montre qu’ils ont été affectés par un métasomatisme en au moins deux étapes par des fluides différents. Les teneurs très élevées en Li des Cpx (jusqu'à 50 ppm) et l’enrichissement même modéré des bordures des olivines sont attribués à un apport de Li par diffusion depuis le magma hôte. Par contre, les compositions isotopiques pauvres en 7Li préservées au coeur des Ol (δ7Li jusqu’à -25‰) suggèrent l’existence d’un autre évènement métasomatique ayant affecté les péridotites avant leur remonté vers la surface. En revanche, les minéraux des xénolites de Mont Coupet ont des concentrations en Li similaires à celles du manteau, avec une répartition à l’équilibre entre les minéraux. Cependant les valeurs de δ7Li négatives observées pour les Cpx et Opx de certains échantillons suggèrent une interaction avec un fluide en quantité limitée et une composition isotopique négative. La préservation du fractionnement isotopique du Li entre les pyroxènes et olivines indique que cette interaction a du avoir lieu peu de temps avant l'entrainement des xénolites vers la surface. Les fluides métasomatiques à l’origine des valeurs de δ7Li négatives observées à Allègre et à Mont Coupet sont liés à un environnement de subduction, probablement lié à l'orogenèse varisque dans le cadre régional du FMC. Les teneurs en eau mesurées dans les xénolites d’Allègre vont de 10,6 à 12,4 ppm, des valeurs beaucoup plus faible que celle du manteau source des MORB. Ceci s’explique par une perte d’eau associée au dégazage du magma lors du refroidissement du lac de lave. L’absence de variation cœur-bord montre une distribution de l’eau à l’équilibre entre les xénolites et la lave hôte. A l’inverse, les xénolites du Mont Coupet ont pu conservé leur teneur en eau acquise en profondeur, contrôlée par les processus de fusion partielle qui ont affecté les péridotites. Cependant, l'échantillon MC34, affecté par le métasomatisme carbonatitique, a la plus haute teneur en eau parmi ces xénolites. Inversement, les échantillons MC36 et MC53 qui contiennent des amphiboles, n’ont pas des teneurs en eau élevées, suggérant que l'agent métasomatique responsable de la formation des amphiboles n'a pas enrichi en eau les autres phases de la péridotite. / Peridotite xenoliths sampled from two volcanoes erupting in different modes in two localities, Allègre and Mont Coupet, in the southern domain of the French Massif Central (FMC), have been investigated to constrain the evolution of the sub-continental lithospheric mantle beneath the FMC and the behaviors of Li and H during melt-rock reactions. To answer these questions, a set of 6 representative xenoliths was selected for each locality, and described for their mineralogy and petrography. In-situ measurements were then performed for major and trace elements in Ol, Cpx and Amp when existing, via EPMA and LA-ICP-MS respectively, for Li concentrations and isotopic compositions in pyroxenes and Ol (via SIMS), and water concentrations in minerals (via FTIR and SIMS). Negative HFSE anomalies and markedly high LREE/HREE ratios reflect a carbonatite-related metasomatism following an earlier partial melting process in the lithospheric mantle under Allègre. The Ti and Nb negative anomalies in Cpx from all the Mont Coupet samples and Zr-Hf negative anomalies in Cpx from two most strongly metasomatized samples MC38 and MC34 also point to a carbonatite-related mantle metasomatism. Amp in samples MC36 and MC53, whose origin should be associated with fluids from the subducting slab, have equilibrated most of the trace element composition with coexisting Cpx and the modal metasomatism responsible for the Amp genesis haven’t refertilized Cpx in LREE and LILE. Lithium isotope systematics indicates that Allègre xenoliths were overprinted by (at least) a two-stage metasomatism by melts of different origins. Exceptionally high Li concentrations in Cpx (up to 50 ppm by weight) and slightly increased Li contents at Ol rims are ascribed to a diffusive Li uptake from infiltrating melts derived from the host magma. On the other hand, extremely light Li isotopic compositions preserved in Ol cores (with δ7Li as low as -25‰) suggest another metasomatic event prior to xenolith entrainment by the host magma. In contrast, xenoliths from Mont Coupet have Li concentrations in constituent minerals similar to the normal mantle, and display nearly equilibrated inter-mineral Li partitioning and homogeneous intragranular Li distribution in every phase. The negative δ7Li values of Cpx and Opx in some samples were brought by the exchange with a small-volume melt with Li concentration similar to the normal mantle and light Li isotopic compositions. The preservation of inter-mineral large Li isotopic fractionation currently observed in these samples indicates that the percolation of the melt should occur shortly prior to the entrainment of Mont Coupet peridotite xenoliths by the host magmas. The metasomatic agents, accounting for negative δ7Li values in Ol cores in Allègre xenoliths and in Cpx and Opx in some Mont Coupet xenoliths, are related to a subduction environment. In the regional framework of the FMC, the subduction event most likely occurred during the Variscan orogeny. Water content in Allègre xenoliths ranges from 10.6 to 12.4 ppm in weight, much lower than the water content in the MORB source mantle. It implies that water were lost during the degassing of the host magma during slow cooling of the lava lake. No core-rim variations from profile analysis suggest that xenoliths have achieved water diffusive equilibrium with the host magmas. Peridotite xenoliths from Mont Coupet have retained their original water content from the mantle depths. Partial melting has controlled the water content in most samples from Mont Coupet. However, the subsequent carbonatite-related metasomatism has affected the sample MC34, which had the highest water content among the Mont Coupet xenoliths. And the aqueous agent responsible for presence of Amp in samples MC36 and MC53 has not lead to the considerable increase of water content.