L'objectif de cette thèse est de déterminer expérimentalement les effets des réactions de dissolution/précipitation de la calcite (CaCO3) en milieux poreux sur les observables géophysiques, à différentes échelles. Elle s'inscrit dans le cadre de la recherche sur le stockage géologique du dioxyde de carbone (CO2). La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'expériences de percolation réactive de fluide riche en CO2 sur des échantillons décimétriques de carbonates, avec suivi en temps réel de la conductivité électrique de la roche et du fluide, du pH du fluide, de la perméabilité de la roche, mesures ponctuelles au cours des expériences de l'alcalinité et de la composition du fluide, et acquisition de profils de vitesses et d'atténuation des ondes sismiques le long de l'échantillon. Ceci, associé à une caractérisation quantitative des échantillons avant et après expérience à différentes échelles, a permis de montrer que l'évolution de la porosité dans les échantillons déterminée par les méthodes électriques et sismiques est en très bonne adéquation avec celle obtenue par la composition des prélèvements chimiques en sortie d'échantillon. À plus grande échelle, nous avons conçu et assemblé une cuve cylindrique, équipée pour effectuer des tomographies de résistivité électrique (ERT) 3D, et pour un suivi par Potentiel Spontané (PS) en surface. Le but de ce dispositif est de réaliser des expériences de précipitation de calcite en milieu granulaire (sable de Fontainebleau), avec un suivi géoélectrique des injections et de l'évolution de la porosité. Les développements expérimentaux, logiciels et tests présentés ont permis de rendre ce dispositif opérationnel pour l'imagerie géoélectrique d'expériences de percolation réactive. Enfin, sur le terrain, nous avons effectué une campagne d'acquisition multiparamètres autour de la source chaude de Syabru-Bensi, au Népal, sous la direction de Frédéric Perrier. Cette mission a consisté en la cartographie multi-méthodes du sous-sol d'un site comprenant une source d'eau chaude et un fort dégagement gazeux, avec notamment d'importantes concentrations de CO2, en faisant un analogue naturel de fuite lors d'un stockage géologique. Un objectif de cette étude est la compréhension de cette zone complexe, du couplage entre les différents phénomènes observés pour comprendre l'origine et le chemin permettant à ces quantités de gaz de parvenir en surface. s'agit également de déterminer la contribution de cette zone au bilan de carbone régional, et d'utiliser ce site pour déterminer la possibilité d'employer la mesure du flux de radon au sol comme précurseur sismique, pour la prédiction du futur grand séisme Himalayen.

Les outils de forage de type PDC peuvent subir d'intenses variations de leur vitesse de rotation, qui perturbent le déroulement des opérations de forage. Ce phénomène auto-entretenu, appelé stick-slip, se produit dans une variété de contextes de forage actuels et on admet généralement que l'instabilité est due à la décroissance du couple à l'outil suivant la vitesse de rotation. De nombreux dispositifs ont été introduits pour limiter son apparition, mais ni la cause physique de cette décroissance, ni le rôle joué par l'outil n'ont été clairement identifiés jusqu'à présent. Cette thèse vise à étudier, expérimentalement et théoriquement, la réponse mécanique des outils PDC lorsqu'ils sont soumis à des variations de leur vitesse de rotation. Une campagne d'essais de forabilité des roches a montré que les efforts qui s'exercent autant sur les outils PDC, que sur les taillants qui les composent, dépendent significativement de la vitesse de rotation. On a attribué ce phénomène au cisaillement dynamique d'une couche de roche broyée, compactée à l'interface entre le taillant et la saignée. Un modèle semi-empirique d'interaction dynamique outil-roche a été ajusté sur ces expériences pour prédire la réponse dynamique d'outils réels, puis validé à partir des essais sur outils de forage à l'échelle 1. Il a été couplé à un algorithme décrivant la dynamique en torsion des garnitures de forage pour calculer le risque de stick-slip associé. Le modèle développé explique non seulement, pourquoi le couple à l'outil diminue avec la vitesse de rotation mais aussi montre qu'il est possible de réduire le risque de stick-slip en sélectionnant la conception d'outil PDC appropriée.

L'instabilité des blocs situés à la surface des excavations souterraines est un problème courant dans les milieux rocheux fracturés. Comme les méthodes exactes prenant en compte tous les blocs et leurs interactions sont très lourdes, l'approche des Blocs Isolés est souvent adoptée. Elle consiste à étudier chaque bloc en considérant qu'il est rigide et que le reste de la masse rocheuse est rigide et fixe. Néanmoins, aucune des méthodes existantes adoptant cette approche ne prend en compte de façon rigoureuse les contraintes initiales et le comportement des joints. Dans cette thèse, on développe une nouvelle méthode qui apporte des améliorations importantes aux méthodes conventionnelles de Blocs Isolés. Connaissant les contraintes initiales, on rend compte du processus d'excavation par le déchargement de la face libre du bloc. Les efforts sur les faces du bloc en contact avec la roche sont alors modifiés en respectant l'équilibre des forces et des moments, la loi de comportement des joints et le mouvement de corps solide du bloc. On aboutit ainsi à un système linéaire où les seules inconnues sont les vecteurs translation et rotation du bloc. Deux modèles sont proposés : le premier considère un comportement linéaire élastique des joints et, par conséquent, la stabilité est évaluée a posteriori. Le deuxième modèle, plus pertinent, considère un comportement hyperbolique des joints dans la direction normale et élastoplastique dans la direction tangentielle avec prise en compte de la dilatance. La méthode numérique adoptée pour la résolution du problème non linéaire est une intégration explicite dans le temps cinématique avec des pas de déchargement constants. La technique d'intégration surfacique utilisée permet d'étudier toute forme géométrique de bloc. La méthode proposée a été validée puis comparée aux méthodes conventionnelles. Des études paramétriques ont montré l'influence des contraintes initiales et des propriétés mécaniques des joints sur la stabilité. Le soutènement a été aussi intégré dans le code développé. Finalement, la nouvelle méthode a été appliquée pour l'étude d'un assemblage de blocs autour d'une excavation souterraine et comparée à un modèle prenant en compte tous les blocs via la méthode des Éléments Distincts. Elle a été aussi utilisée pour restituer un cas réel de chute de blocs. / Failure of rock blocks located at the surface of underground excavations is a common problem in discontinuous rock masses. Since exact methods that take into account all blocks and their interactions are computationally hard, the Isolated Blocks method is usually adopted. It consists in studying each block considering it to be rigid and the surrounding rock mass to be rigid and fixed. Nevertheless, none of the existing methods based on this approach takes into account initial stresses and joints behavior rigorously. In this thesis, a new method providing significant improvements to conventional Isolated Blocks methods is developed. Considering that initial stresses are known, the excavation process is modeled by unloading the block's free face. Stresses acting on the faces in contact with the rock mass are then resolved by taking into account force and moment balance equations, joints behavior and rigid body movement. This leads to a linear system where the block's translation and rotation vectors are the only unknowns.Two models are proposed: the first one assumes linear elastic joint behavior, thus the stability is evaluated a posteriori. The second, more realistic model, assumes joint behavior to be hyperbolic in the normal direction and elastoplastic in the tangential direction, while also accounting for dilatancy. This non-linear problem is solved numerically by explicit integration in the kinematic time with constant deconfining steps. Also, thanks to the surface integration technique used, any block geometry can be studied. The method proposed is validated and compared to other conventional methods. Parametric studies show the influence of initial stresses and the joints' mechanical properties on the stability. Rock support modeling is also integrated into the code. Finally, the new method is applied to study an assemblage of blocks around an underground excavation and is compared to a model that takes into account all the blocks with the Distinct Element Method. It is also used to reproduce an actual block failure case.

La justification de la stabilité d’un barrage-poids existant sur une fondation rocheuse nécessite une justification de la stabilité vis-à-vis du glissement à l’interface béton-roche. Le comportement au cisaillement de cette interface dépend de l’effort normal appliqué, des déformabilités de la roche et du béton, de la morphologie de la surface rocheuse et éventuellement de la propreté avant le coulage. Dans la littérature, un effet d’échelle a été mis en évidence : les évaluations de la résistance au cisaillement réalisées expérimentalement sur de petites interfaces en laboratoire donnent des valeurs différentes de celles estimées par rétro-analyse sur barrages existants. Le travail de cette thèse porte sur l'évaluation de cet effet d'échelle en tenant compte des facteurs influents, en particulier la morphologie de la surface rocheuse, l'objectif étant d'améliorer l'évaluation de la résistance au cisaillement à la base d'un barrage-poids.Tout d’abord, des essais de cisaillement directs ont été effectués sur plusieurs éprouvettes d’une même combinaison de différentes dimensions : à petite échelle sur des carottes et à des échelles intermédiaire et métrique sur des éprouvettes parallélépipédiques. Ces essais ont été complétés par des essais de traction directe permettant de caractériser l’adhésion initiale du contact béton-roche. Les résultats ont effectivement permis d'observer une variabilité des mesures de résistance au cisaillement selon l'échelle d'observation. Les essais usuels sur des carottes ont donné les mesures les plus élevées. A l'échelle métrique, les mesures de la résistance au cisaillement de l’interface béton-roche ont indiqué une valeur de cohésion non négligeable. A l'échelle intermédiaire, les valeurs de la résistance se sont réparties en deux groupes correspondant à deux morphologies différentes de la surface rocheuse. Du point de vue de l'effet d'échelle sur la résistance au cisaillement, si on représente les résultats par un critère linéaire, il a été constaté un effet d'échelle positif sur l'angle de frottement et un effet d'échelle négatif sur la cohésion.Un outil de description de la morphologie de la surface rocheuse basé sur une décomposition en fonctions sinusoïdales a été développé. Il a permis de décrire objectivement les caractéristiques de la morphologie de la surface rocheuse propres à chacun des deux groupes identifiés à l'échelle intermédiaire. Le premier groupe de surfaces rocheuses, avec les valeurs de résistance les plus élevées, se caractérise par une longueur d'onde principale de l'ordre de la taille de l'échantillon. Pour le second groupe, où les valeurs de résistance sont plus faibles, la longueur d'onde est comprise entre la moitié et les deux tiers de la taille de l'échantillon. Suite à ces observations expérimentales, les hypothèses suivantes ont été posées pour effectuer l'analyse des résultats : les essais sur carotte à petite échelle permettent de caractériser la résistance d'une interface béton-roche sans effet de morphologie de surface et l'échelle intermédiaire correspond à la surface élémentaire qui permet de caractériser les principaux effets de la géométrie de cette surface rocheuse sur la résistance. Sur cette base, un modèle 2D aux éléments finis de l'essai de cisaillement direct a été développé sous le logiciel Abaqus. Ce modèle a permis de reproduire le comportement au cisaillement des interfaces béton-roche à l’échelle intermédiaire. Ainsi il a pu être identifié que selon la morphologie, différents mécanismes d'initiation et de propagation de la rupture interviennent localement le long de l'interface et contribuent à moduler sa valeur de résistance globale, observée à l'échelle de l'essai. A l'échelle métrique, une décomposition de la surface en surfaces élémentaires et l'analyse de la morphologie de ces surfaces ont permis de retrouver les valeurs de résistance évaluées expérimentalement. / The shear strength of concrete-rock interface is a key factor to justify the stability of an hydraulic structure foundation. The shear behavior of this interface depends on the applied normal force, the deformability of rock and concrete, the rock surface morphology and the cleanliness of the rock surface before concrete casting. A scale effect was highlighted in the literature: the assessments of shear strength in a laboratory by achieving tests on small interfaces give values different from those estimated by back-analysis on the existing dams. This thesis work aims to assess the scale effect on the shear strength of concrete-rock interface taking into account some related factors, especially the rock surface morphology. The objective is to improve the shear strength assessment at the base of a gravity dam.Firstly, direct shear tests were performed on several prepared samples having different sizes: at small scale on cored samples usually used in the engineering field to assess the shear strength and at medium and metric scales on parallelepiped samples. To complete these tests, direct tensile tests were achieved to characterize the bonding of the concrete-rock contact. The results allowed a variability of shear strength measurements to be observed according to the observation scale. The usual tests on cored sample gave the highest values with high standard deviation. At metric scale, in the range of normal stresses to which the gravity dam foundation is mostly subjected, the concrete-rock interface shear strength showed a significant cohesion value. At medium scale, the shear strength values are divided into two groups corresponding to two different morphologies of the rock surface. Regarding the scale effect on the shear strength, if the results are fitted in a linear criterion, it was found a positive effect on the friction angle and negative effect on the cohesion.A descriptive tool based on sinusoidal functions was developed to characterize the rock surface morphology. It allowed to objectively describe the appropriate characteristics of the rock surface morphology for both groups identified at medium scale. The rock surfaces of the first group, which has the highest values of shear strength, are characterized relative to the best fit plane by a geometry having a main wavelength in the order of the sample size. For the second group, which has the lowest values of shear strength, the obtained wavelength is between half and two-thirds of the sample size.After these experimental observations and in order to accomplish the results analysis, the following assumptions were set: the tests on cored samples at small scale allowed the concrete-rock shear strength to be characterized independently of the rock surface morphology effect and the medium scale corresponds to the elementary surface which allows characterizing the main effects of the rock surface geometry on the interface shear behavior. On this basis, a 2D finite elements model was developed for direct shear test on Abaqus. This model reproduced the shear behavior of the concrete-rock interfaces at medium scale and therefore the stress distribution along the interface during the shearing process was studied. Thus it was identified that, according to surface morphology, different initiation and local failure propagation occur along the interface and contribute to adjust the overall shear strength of the interface. At scale 1, a decomposition of the surface by elementary surfaces and the analysis of the morphology of these surfaces allowed to recover the shear strength values assessed experimentally.

La croute océanique formée aux dorsales lentes a une composition hétérogène. Pour expliquer sa formation, il est nécessaire d’invoquer des processus d’interactions magma-roche. Afin de contraindre la contribution des processus de cristallisation et d’interaction magma-roche sur le budget géochimique et l’architecture de la croute océanique hétérogène, j’ai étudié deux séquences gabbroiques échantillonnées in situ à l’Atlantis Massif (AM, 30°N, Dorsale Médio-Atlantique, MAR) et l’Atlantis Bank (AB, 57°E, Dorsale Sud-Ouest Indienne, SWIR). J’ai effectué (i) une étude multi-échelle pétro-structurale et géochimique, combinée à une modélisation numérique, de gabbros primitifs forés à l’AM, et (ii) une étude pétrographique et géochimique de gabbros à olivines forés à l’AB. La croute océanique inférieure hétérogène échantillonnée au Site U1309 (AM) présente des troctolites riches en olivines (Ol-T). Elles se distinguent par des olivines partiellement dissoutes, relativement riches en Fo et en Ni, ainsi que par la co-précipitation de clinopyroxènes riches en Mg et de plagioclases. Ces caractéristiques suggèrent que les Ol-T sont le résultat de l’imprégnation d’un protolithe riche en olivines par un magma sous-saturé en olivine. Les profils géochimiques plats entre les minéraux adjacents suggèrent que la composition du protolithe a été modifiée par le magma entrant. Pourtant, le Ni, Li et Co montrent des compositions extrêmement variables à Mg# de l’olivine constant, ce qui suggère qu’ils préservent la signature géochimique du protolithe. La modélisation géochimique indique que ces variations sont héritées d’une hétérogénéité dans les harzburgites U1309. Les expériences en laboratoire ont démontré que la distribution de magma en milieux poreux est contrôlée par la composition modale de la roche percolée. La distribution hétérogène d’orthopyroxène dans le protolithe mantellique contrôle la quantité de magma entrant, et ainsi la quantité d’olivine dissoute, comme indiqué par les variations modales et compositionnelles observées dans les Ol-T à l’AM. La modélisation géochimique indique que la formation des Ol-T peut être expliquée par la percolation de magma et l’assimilation de 5% de protolithe mantellique. Une conséquence de ce processus de réaction est le décalage des compositions du magma à l’AM vers de cristallisation fractionnée apparentes à haute pression. Pourtant, aucune signature géochimique de haute pression n’est observée dans les MORBs à l’AM, alors qu’elles sont observées dans les MORBs d’une portion amagmatique de la SWIR (61°-67°E). La croute océanique à l’AB est faite de gabbros à olivines (75%) et de gabbros à oxides (20%), et par endroits intensément déformée. Les études préliminaires ont mis en évidence des textures indiquant l’assimilation de plagioclase par un magma d’imprégnation, ainsi que la cristallisation de clinopyroxène. Les gabbros à olivines montrent des compositions relativement évoluées. Des études précédentes des gabbros à olivines de l’AB ont montré que leur formation peut être attribuée à l’assimilation de la croute océanique par un magma saturé en clinopyroxène. Les études de l’AM et de l’AB révèlent des processus d’interactions magma-roche associés au transport de magma dans la croute océanique inférieure. Des caractéristiques texturales et géochimiques similaires ont été documentées à Kane (24°N, MAR) et dans les ophiolites Alpines-Apennines. Elles indiquent que les interactions magma-roche sont omniprésentes et contribuent à façonner la croute océanique inférieure aux dorsales lentes. L’étude de roches gabbroiques forées à Hess Deep suggèrent que les interactions magma-roche interviennent également aux dorsales rapides. Le transport réactif de magma dans la croute océanique joue un rôle majeur dans le processus de formation de la croute océanique dans son ensemble. Leur contribution dans la composition des MORBs est probablement contrôlée par la production de magma durant la remontée mantellique. / At slow-spreading mid-ocean ridges the lower oceanic crust is extremely heterogeneous, and its formation must be related to some extents of melt-rock interactions. To constrain the relative contribution of crystallization processes and melt-rock interactions on the geochemical budget and architecture of the slow-spread oceanic crust, I investigated two gabbroic sequences sampled in situ at the Atlantis Massif (AM, 30°N, Mid-Atlantic Ridge, MAR) and the Atlantis Bank (AB, 32°S, 57°E, Southwest Indian Ridge, SWIR), where gabbros are exposed by long-lived detachment faults. I performed (i) a multi-scale petro-structural, geochemical and numerical modeling study of primitive gabbroic rocks drilled at the AM, and (ii) a petrographic and geochemical study of olivine gabbros recovered at the AB. AM was drilled during IODP Expeditions 304/305. The heterogeneous lower oceanic crust recovered at Site U1309 presents discrete intervals of olivine-rich troctolites (Ol-T). They are distinguished by partially dissolved olivines with relatively high Fo (86) and Ni contents (>2000 ppm), and they are characterized by the co-precipitation of high Mg# (86-88) clinopyroxene and plagioclase. These characteristics suggest that Ol-T result from impregnation of an olivine-rich protolith by a melt undersaturated in olivine. The flat geochemical profiles across olivine and adjacent minerals suggest that the composition of the protolith was modified by this impregnating melt. Yet, Ni, Li and Co display extremely variable compositions at constant olivine Mg#, suggesting that they retain the signature of the precursor material. Modeling indicates that these chemical variations are likely inherited from the U1309D harzburgites. Experiments show that the melt distribution and paths in a porous media is controlled by the mineral modes of the host rock. The heterogeneous distribution of orthopyroxene in the precursor harzburgitic mantle locally drives the abundance of impregnating melt, leading to different extents of olivine dissolution, as evidenced by variations in mineral modes and chemistry of the AM Ol-T. Geochemical modeling indicates that the melt percolation and assimilation of about 5% of a mantle protolith can explain the formation of the Ol-T. One consequence of this reactive process in Hole U1309D is the shift of melt compositions toward apparent high pressure fractionation. However, no high pressure chemical signature is observed in MORBs from the AM, while it is recorded in MORBs from the nearly amagmatic region along the SWIR (61°-67°E). AB was drilled during IODP Expedition 360. The recovered lower oceanic crust is dominated by olivine gabbros (75%) and oxide gabbros (20%). The section is in places intensively deformed. Shipboard studies have documented textures of plagioclase assimilation by an invading melt crystallizing clinopyroxene. Compositions of olivine gabbros reach relatively evolved signature (Yb = 3-10 x C1-chondrite; MORB Yb = 19). Previous studies on olivine gabbros from AB showed that their formation can be ascribed to assimilation of an oceanic crust by clinopyroxene-saturated trace element enriched melts. The study of AM and AB reveals melt-rock interactions and mineral assimilation associated to melt transport through the accreting lower oceanic crust. Similar textural and chemical features are observed at Kane (24°N, MAR) and in ophiolite complexes (e.g., Alpine and Appennine ophiolites). These evidences indicate that melt-rock interactions are probably ubiquitous, and contribute to shaping the slow-spread lower oceanic crust. The characterization of gabbroic rocks drilled at Hess Deep suggests that melt-rock interactions may take place also at fast-spreading ridge. Melt transport and associated mineral assimilation processes likely play a major role in the building of the oceanic crust overall. Their contribution to the formation of MORB is likely controlled by melt productivity in the upwelling mantle.

La formation de la Vaca Muerta, dans le bassin de Neuquén (Argentine), constitue le gisement non conventionnel le plus important d’Argentine. Dès lors, cette formation à la fois roche mère et roche réservoir a suscité un intérêt particulier dans le monde pétrolier afin de comprendre l’architecture des corps sédimentaires et la distribution de la matière organique de ce réservoir. L’étude menée dans le cadre de cette thèse se base sur la sédimentologie, la stratigraphie, la minéralogie et la géochimie dans le but de comprendre la logique de mise en place des systèmes de dépôt et les conditions d’oxygénation du milieu. Le but final de ce travail est de comprendre les conditions de dépôt et de préciser la relation stratigraphique entre les intervalles riches en matière organique et l'évolution du bassin (interactions entre remplissage et déformations/structuration). L’étude de sismique 3D menée dans la partie orientale du bassin a permis de déterminer un système de dépôt dominé par la houle, et montrer l’impact de la tectonique locale sur la géométrie des clinoformes et le contrôle eustatique des séquences sismiques. L’étude de terrain centrée dans un premier temps sur l’anticlinal de Picún Leufú en partie méridionale du bassin puis sur d’autres secteurs le long d’un transect nord-sud de plus de 500 km de long, a permis de mettre en évidence deux grands secteurs ayant évolué distinctement. Un secteur centro-méridional qui évolue pendant l’intervalle Tithonien-Valanginien depuis un environnement de plateforme silicoclastique vers un environnement de rampe mixte; ce secteur est alimenté essentiellement depuis le sud et le transport des sédiments vers le large est assuré par la combinaison entre des courants de dérive littorale, des courants de tempêtes et des courants gravitaires. Le second secteur au nord du bassin correspondant à la zone de Malargüe, et montre un environnement de rampe carbonatée pérenne pendant tout l’intervalle Tithonien-Valanginien. L’analyse et la synthèse stratigraphique des différents secteurs étudiés montrent un signal stratigraphique homogène avec la mise en place de cinq séquences transgressives-régressives dans le bassin pendant l’intervalle Tithonien-Valanginien. L’étude minéralogique et géochimique a permis d'évaluer l’impact du climat sur les terres émergées et par conséquent sur la distribution des sédiments vers le large. La géochimie révèle des conditions oxiques de la colonne d’eau faisant suite à une période initiale euxiniques qui coïncident avec le dépôt des niveaux les plus riches en matière organique. Enfin, la synthèse entre le signal stratigraphique et le signal géochimique montre l’existence de 4 ou 5 intervalles relativement riches en matière organique et préférentiellement localisés dans les cortèges transgressifs. / The Vaca Muerta Formation is the principal source rock in the Neuquén Basin (Argentina). It constitutes also the major unconventional play in Argentina. Therefore, the Vaca Muerta formation stirs up large interest in the oil industry to understand the architecture and the organic matter distribution of this reservoir. Our study proposes an integrated approach, using sedimentology, stratigraphy, mineralogy and geochemistry in order to understand the depositional system and the paleoenvironmental conditions. The ultimate goal of this work is to clarify the stratigraphic relationship between organic-rich level and the basin filling. In the eastern part of the Neuquén basin, the study of 3D seismic allowed us to identify a wave-dominated depositional system and assess the role of the local tectonic and the eustatic control through seismic geometry. We carried out extensive field investigation, including logs and sampling, first in the Picún Leufú Anticline (southern part of the basin) and second, on several areas along a N-S trend over 500 km distance. This study allowed to define two major sectors which evolve differently. The first one corresponds to the central and southern part of the basin (from Picún Leufú Anticline to Chos Malal). There, an evolution from a siliciclastic shelf to a mixed ramp setting is observed during the Tithonian-Valanginian interval. Sediments were redistributed along the shoreface by longshore currents and further transported by storm and gravitary currents basinward. The second sector corresponds to Malargüe area (North area). It displays a perennial carbonate ramp during the Tithonian-Valanginian interval. Sequence stratigraphy analysis of all areas shows an homogeneous signal with five transgressive-regressive sequences in the basin. The geochemistry and clay mineralogy indicate the climate role in the evolution of the sedimentary environments. Geochemistry displays a “normal marine” environment with oxic waters and short-lived episodes of euxinia that coincides with the organic-rich levels. Lastly, the integrated approach, connecting stratigraphy end geochemistry shows four to five organic-rich intervals that coincide with the transgressive systems tract.

Depuis une vingtaine d'années, la connaissance de la variabilité chimique et pétrographique des laves formées en contexte d'accrétion océanique (MORB) s'est considérablement approfondie. Il est ainsi apparu que le manteau supérieur sub-océanique est beaucoup plus hétérogène que ne le laissait penser la relative homogénéité chimique des MORB. Ainsi, le manteau contient une fraction significative de pyroxénites qui pourraient jouer un rôle important dans la production des basaltes. De même, l'importance des interactions entre les magmas en cours d'ascension et leur encaissant péridotitique a longtemps été sous-estimée. Le transport des magmas basaltiques dans des chenaux dunitiques de haute perméabilité formés par la focalisation des magmas en profondeur est le mécanisme généralement proposé sous les rides médio-océaniques, mais l'ampleur des transformations chimiques subies par les magmas au cours ce processus est encore peu connue. J'ai réalisé des expériences en piston-cylindre entre 0.5 et 2.5 GPa pour caractériser les relations de fusion et les compositions de liquide de trois pyroxénites et pour quantifier les effets des interactions magma/péridotite. La technique d'extraction des liquides par microdike a été utilisée pour obtenir des analyses de verre fiables même à de très faibles degrés de fusion. L'objectif était d'apporter des réponses à trois problèmes importants de la pétrogenèse des MORB : Quel est le rôle des pyroxénites sur la composition en éléments majeurs des MORB ? Quel est le sort des liquides pyroxénitiques durant leur passage à travers le manteau péridotitique ? Quelles sont les transformations induites par la focalisation des magmas et les interactions magma/roche sur la composition chimique des liquides et sur la chimie et la minéralogie de l'encaissant péridotitique ? Les données acquises au cours de cette thèse constituent une base de données importante sur les relations de fusion des pyroxénites et sur les compositions des liquides issus des pyroxénites, en particulier les compositions aux faibles degrés de fusion. Les expériences de fusion partielle menées sur trois pyroxénites représentatives de la variabilité compositionnelle mondiale montrent que, à 1 et 1.5 GPa, la plupart des liquides issus des pyroxénites présentent des compositions en éléments majeurs très similaires à celles des liquides péridotitiques. Ces liquides sont susceptibles de remonter à la surface en interagissant peu ou pas avec le manteau environnant. A plus haute pression, les interactions entre les liquides issus des pyroxénites et le manteau péridotitique subsolidus aboutissent au contraire à une consommation substantielle des liquides et à une forte cristallisation de clinopyroxènes susceptibles d'isoler les pyroxénites de leur encaissant et de créer de nouvelles hétérogénéités lithologiques dans le manteau supérieur. Par conséquent, la fusion partielle des pyroxénites peut avoir des effets significatifs sur la composition minéralogique et chimique du manteau et sur les dynamiques d'extraction et de transport des magmas. Au contraire, dans la plupart des cas, la contribution de liquides issus des pyroxénites n'entraîne pas de changement majeur dans les compositions des magmas basaltiques primitifs. Plus rarement, les pyroxénites produisent des liquides anormalement pauvres en silice et riches en fer dont on retrouve peut-être la signature dans une classe de MORB primitifs avec FeO > 8.5 % et SiO2 < 48.7 % pds. Enfin, les expériences simulant le processus de focalisation des magmas sous les rides médioocéaniques confirment que la focalisation peut expliquer à la fois la formation de chenaux dunitiques et la composition des MORB primitif, en particulier leur sous-saturation en orthopyroxènes.

Cette thèse a pour but d'améliorer notre compréhension des processus d'altération des roches mafiques silicatées, de la spéciation des éléments et de leur migration dans le milieu boréal (bassin versant de la mer Blanche, Nord-Ouest de la Russie). Les objectifs principales du travail sont i) de caractériser et décrire les mécanismes responsables de l'altération chimique et de la formation des minéraux dans la zone subarctique, ii) évaluer le rôle de la lithologie (environnement granitique versus basaltique) dans la spéciation des éléments traces (ET) et la formation des colloïdes organo-minéraux dans les eaux de surface des bassins versants boréaux des hautes latitudes, et iii) révéler la dépendance de la spéciation des ET en fonction du pH de la solution pour prédire des changements éventuels dans la bioaccumulation des éléments dans les eaux naturelles à cause de leur acidification. L'originalité de cette thèse est de combiner, pour la première fois sur les mêmes objets naturels, les techniques physico-chimique, minéralogique et isotopique afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions subarctiques.

L'endommagement des discontinuités rocheuses non-persistantes ainsi que les effets hydromécaniques sont déterminants pour la stabilité des massifs rocheux. Un nouveau modèle constitutif d'endommagement-plastique des joints a été proposé. Ce modèle, permet de prendre en compte la dégradation progressive de la résistance et de la raideur des joints dans les deux directions normale et tangentielle du joint. Il tient également compte des déplacements relatifs irréversibles, de la résistance résiduelle tangentielle et du comportement non-linéaire des joints. Le modèle implémenté dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC est capable de bien reproduire les résultats expérimentaux. Pour réaliser des calculs hydromécaniques couplés, un module de calcul hydraulique stationnaire dans un réseau de fractures a été développé ainsi qu'une interface entre ce module et le code CESAR-LCPC. Ces outils numériques ont été appliqués à l'étude de la stabilité des Rochers de Valabres (Projet ANR STABROCK).

L'écoulement ductile d'une roche, en présence de fluide, peut s'effectuer par transfert de matière autour de domaines constituants cette roche, sous l'effet de différences de contrainte normale, ou de différences d'énergie élastique, plastique, ou de surface. Les stylolites, schistosités, fentes ou cavités colmatées,témoignent de ce fluage par dissolution-cristallisation dans la croûte supérieure. Différents modèles théoriques en ont été établis, avec des vitesses de déformation limitées par chacun des processus successifs de la transformation (cinétique des réactions solide/fluide, ou vitesse des transferts par diffusion ou infiltration). Puis ces modèles ont été testés en distinguant l'effet de plusieurs paramètres (géométrie des domaines, conditions P.T., nature des matériaux, valeurs des coefficients de transfert) . Pour l'aspect expérimental on a réalisé des dissolutions-cristallisations du quartz et de la calcite, autour de cavités ou autour de grains sous contrainte, en maintenant ces minéraux plusieurs mois au contact de fluides chauds et sous pression (eau, Na OH, NH4 CI) . Différentes forces motrices peuvent intervenir (énergie de surface autour des cavités, contrainte normale autour des grains). Différents processus peuvent limiter les vitesses des déformations (cinétique de réaction pour les cavités, vitesse de diffusion pour les grains). Pour l'aspect naturel. des analyses chimiques comparatives au sein de roches à déformation hétérogène (plissement, cisaillement, poinçonnement, boudinage) permettent de faire un bilan des quantités transférées. On montre que !e transfert peut s'effectuer par diffusion ou par infiltration, sous de faibles déviateurs de contrainte, avec une mobilité variable des minéraux selon les conditions P.T . Les possibilités et les conditions du transfert imposent en priorité le type de modèle de dissolution-cristallisation et la vitesse de cette déformation. On discute de l'initiation et du développement des zones de dissolution et de cristallisation et de l'acquisition d'un litage tectonique dont l'orientation, la géométrie et les compositions reflètent les conditions de la déformation. Des applications sont données pour des processus voisins (métamorphisme, diagenèse) et pour des problèmes particuliers (déformation interne des roches, concentration des minéralisations, glissement asismique des failles).