Héritées de l’atmosphère primitive, des anomalies dans les abondances relatives des isotopes du soufre (32S, 33S, 34S et 36S) sont enregistrées dans les sédiments terrestres d’il y a plus de 2,5 milliards d’années (i.e. archéens). Nous évaluons ici la robustesse des isotopes du soufre à tracer le recyclage précoce de croûte océanique et de sédiments, transférés dans le manteau profond ou stockés dans le manteau lithosphérique depuis la mise en place de la subduction. En Sibérie, le manteau lithosphérique a été naturellement échantillonné par l’éruption de la kimberlite d’Udachnaya-Est. Extrêmement bien préservée, riche en Na, K, Cl, S et contenant des reliques de croûte océanique Archéenne, cette kimberlite nous permet de tester : (1) l’hypothèse du recyclage de soufre atmosphérique Archéen dans le manteau lithosphérique et/ou la source de cette kimberlite ; (2) la cohérences entre les méthodes in situ (SIMS dans les minéraux de sulfure) et bulk (extraction chimique du soufre et spectrométrie de masse à source gazeuse) pour les mesures multi-isotopiques du soufre. Nos résultats, complétés par des mesures isotopiques en Rb-Sr, Sm-Nd et plomb (204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb), montrent que : (1) les sulfates de la kimberlite et des nodules composés de chlorure-carbonate ont une origine magmatique profonde, non-contaminée par les sédiments encaissants, suggérant la présence de domaines oxydés et riches en sulfates dans le manteau ; (2) les mesures isotopiques du soufre par méthode bulk sont cohérentes avec les populations de sulfures observées in situ ; (3) les sulfures des kimberlites salées sont appauvris en 34S par rapport à la valeur chondritique et enregistrent de faibles anomalies isotopiques en soufre ; (4) les péridotites déformées contiennent d’autres sulfures appauvris en 34S, qui eux préservent des anomalies en 33S et 36S héritées de la surface archéenne, malgré un équilibrage isotopique du chronomètre U-Pb lors de l’éruption de la kimberlite / Inherited from the early atmosphere, anomalies in the relative abundances of sulfur isotopes (32S, 33S, 34S and 36S) are recorded in sediments older than 2.5 billion year (i.e. Archean). Here we test the robustness of sulfur isotopes to trace the early recycling of oceanic crust and sediments that may have been transferred to the deep mantle or stored in the lithospheric mantle since the onset of subduction. In Siberia, the lithospheric mantle has been naturally sampled by the Udachnaya-East kimberlite while it was erupting. Because it is extremely well preserved, rich in Na, K, Cl, S and contains remnants of oceanic crust recycled during the Archean, this kimberlite enables us to test : (1) the hypothesis of an early recycling of Archean atmospheric sulfur in the lithospheric mantle and/or the deeper source of the kimberlite; (2) the coherence between in situ (SIMS in sulfide minerals) and bulk methods (chemical extraction of sulfur from powdered rocks, followed by gas source mass-spectrometry) for measuring multiple sulfur isotopes. Our results, combined with measurements of Rb-Sr, Sm-Nd and lead (204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb) isotopes, show that: (1) sulfates from the Udachnaya-East kimberlite and its nodules composed of chloride-carbonate have a deep, magmatic origin, uncontaminated by host sediments, suggesting the presence of sulfate-rich, oxidized domains in the mantle; (2) measurements of sulfur isotopes by bulk methods are consistent with the sulfide populations observed in situ; (3) sulfides from salty kimberlites are depleted in 34S with respect to the chondritic value and record small anomalies in sulfur isotopes ; (4) sheared peridotites contain another population of sulfides that are depleted in 34S and preserve 33S and 36S anomalies inherited from the Archean surface, despite resetting of the U-Pb chronometer during kimberlite eruption

Dans cette thèse, un algorithme d'inversion de formes d'ondes (FWI) est développé pour l'imagerie 3D des paramètres élastiques de la lithosphère à partir des enregistrements télésismiques dans le but d'accroître la résolution des images lithosphériques. La modélisation sismique est effectuée par un méthode hybride d'injection de champ d'ondes. Une première modélisation est effectuée dans une Terre globale avec le logiciel AxiSEM pour déterminer les champs d’ondes aux bords de la cible lithosphérique. Ces solutions sont ensuite propagées dans cette cible par une méthode aux éléments finis spectraux. Le problème inverse est résolu avec un algorithme d’optimisation locale de type quasi-Newton (l-BFGS). La sensibilité de la méthode à la configuration expérimentale (paramétrisation du milieu, modèle initial, géométrie et échantillonnage du dispositif de capteurs) est tout d’abord analysée avec un modèle synthétique réaliste des Alpes Occidentales. L’algorithme est finalement appliqué à neuf événements de la campagne CIFALPS dans les Alpes occidentales jusqu’à une fréquence de 0.2Hz. Les modèles de vitesses P et S et de densité révèlent les grandes structures lithosphériques de la chaîne alpine, en particulier le corps d’Ivrée et la géométrie des Moho européen et adriatique. Plus profondément, deux anomalies de vitesses lentes sont imagées dans le manteau et sont interprétées comme la signature d’une remontée asthénosphérique et la localisation du détachement du panneau plongeant européen. Ces résultats corroborent l’hypothèse d’une subduction continentale de la croûte européenne et d’une éventuelle déchirure du panneau plongeant européen lors de la phase de collision. / In this thesis, a full-waveform inversion (FWI) algorithm is developed with the aim to image the elastic properties (Vp, Vs and density) of 3D lithospheric models from teleseismic recordings with a spatial resolution of the order of the wavelength. Seismic modeling is performed with a wavefield injection hybrid approach. A first simulation is performed in a global radially symmetric Earth with the AxiSEM code to compute the wavefields on the borders of the lithospheric target. Then, these wavefields are propagated in the target with the spectral finite-element method. After linearization, the inverse problem is solved with a quasi-Newton (1-BFGS) optimization algorithm. The sensitivity of the teleseismic FWI to the experimental setup (subsurface parameterization, initial model, sampling and geometry of the station layout) is first assessed with a realistic synthetic model of the Western Alps. The method is finally applied to nine events of the CIFALPS experiment carried out in the Western Alps, up to a frequency of 0.2Hz. Reliable models of P and S wave speeds and density reveal with an unprecedented resolution the crustal and lithospheric structures of the Alpine Belt, in particular the geometry of the Ivrea body, and the European and Adriatic Mohos. Deeper, two slow velocity anomalies beneath the Western Alps are imaged in the mantle. The first, to the west of the chain, is interpreted as the signature of an asthenospheric upwelling, the second near the location of the Ivrea body indicates the European slab break-off. The study supports the hypothesis of the European continental crust subduction and confirms the possible tearing of the European slab.

Une marge passive est une zone de transition non-active entre lithosphère continentale et lithosphère océanique. De nombreuses marges passives présentent un fort développement magmatique (>50%). Ces marges passives volcaniques (MPVs) marquent la rupture lithosphérique au-dessus d’un manteau en fusion (partielle) et sont typiquement caractérisées par l’intrusion et l’extrusion d’un volume significatif de produits magmatiques dans la croûte lors des périodes ante-rift, syn-rift et post-rift. A partir d’une compilation bibliographique, de données sismiques (profils de sismique réflexion ION-GXT, sismique 3D) et d’observations réalisées sur le terrain à l’Est et à l’Ouest du Groenland, les objectifs de cette thèse étaient : (1) de mieux caractériser les modes tectoniques d’accommodation des flexures de la croûte supérieure sous les SDRs (seaward dipping reflectors) et l’interprétation des SDRs externes et, (2), de placer la rupture magmatique à l’échelle de la fragmentation d’un supercontinent. Les principaux résultats obtenus sont: 1) La rupture d’un supercontinent est toujours synmagmatique. Cette rupture se propage ensuite de manière non-magmatique (article en préparation); 2) Les SDRs externes sont découplés tectoniquement d’une croûte inférieure d’origine continentale exhumée. Du matériel d’origine continental pourrait exister en profondeur de manière continue au niveau de rides asismiques transverses (comme GIFR) (article soumis); 3) La flexure crustale est aussi accommodée par du magma qui circule dans les failles de détachement sous SDRs. Un découplage existe à l’extrados des flexures accommodé par des injections de magma syn-tectoniques sous forme de laccolithes à la base des SDRs internes. / A passive margin is a non-active transition zone between the continental lithosphere and the oceanic lithosphere. Most of passive margins (>50%) show a strong magmatic development. These volcanic passive margins (VPMs) mark the lithospheric breakup over a melted mantle and they are typically characterized by a huge volume of intrusive and extrusive magmatism into the crust during ante-rift, syn-rift, and post-rift periods.Based on bibliographies, seismic data (IONGXT seismic reflection profiles, 3D seismic) and observations and results gained from fieldtrips on East and West Greenland coast, the objectives of this thesis were: (1) to better characterize the tectonic accommodation of the flexure of the upper crust which beneath inner SDRs and the signification of outer SDRs, and (3) to place the magmatic breakup on the scale of the fragmentation of a supercontinent.The main results obtained are: 1) the breakup of a supercontinent is always syn-magmatic. This breakup then propagates in a non-magmatic way (paper in preparation); 2) the outer SDRs are tectonically decoupled from an exhumed continental lower crust.The material of continental origin could exist deeply continuously across a transverse aseismic ridge such as the GIFR (paper submitted); 3) The crustal flexure is also accommodated by the magma that circulate in detachment faults beneath the inner SDRs. There is a decoupling at the extrados zone of the flexure which is accommodated by syn-tectonic magma injections in the form of laccoliths between inner SDRs and upper crust.

La chaîne du Zagros située sur la marge septentrionale de la plaque Arabie, est l'une des plus jeunes chaînes de collision continentale. Elle a été structurée par la collision de la plaque Arabie avec le microcontinent d'Iran central. Une expérience sismologique, appelée « Zagros 2000-2001 », a été réalisée dans le cadre d'une collaboration entre le LGIT et l'IIEES pour étudier la structure lithosphérique sous cette chaîne de collision et une partie du bloc d'Iran Central. Le jeu de données de cette expérience nous a permis de caractériser la structure de la croûte et du manteau lithosphérique sous le réseau de stations. Les variations de l'épaisseur de croûte ont été mises en évidence par analyse en fonctions récepteur. Elles sont caractérisées par un sur-épaississement maximum de 20 km sur une largeur d'environ 100 km immédiatement au nord-est du MZT (« Main Zagros Thrust »). Une épaisseur moyenne de croûte de 45 km a été trouvée sous le Zagros et de 40 km sous l'Iran Central. Nous avons ensuite proposé un modèle de croûte, contraint par la géométrie du Moho tirée de l'analyse en fonctions récepteur, qui est aussi compatible avec les données gravimétriques. Le sur-épaississement est interprété comme lié à un redoublement crustal avec chevauchement de la croûte d'Iran central sur celle du Zagros le long du MZT. L'inversion de plus de 5000 temps d'arrivée P télésismiques nous a permis de caractériser la structure du manteau supérieur jusqu'à 350 km de profondeur. Les résultats de cette inversion montrent un manteau supérieur rapide sous le Zagros et lent sous l'Iran central. Ceci peut être lié à une délamination du manteau lithosphérique sous l'Iran central. La présence d'un manteau lent et léger sous l'Iran central peut expliquer la haute altitude moyenne du plateau iranien. L'analyse de la biréfringence des ondes S télésismiques montre une différence majeure entre la lithosphère du Zagros et celle de l'Iran Central en terme d'anisotropie sismique. Cette analyse met en évidence l'absence de biréfringence des ondes S télésismiques sous le Zagros par opposition à certaines régions d'Iran Central. D'autre part, aucun lien n'est observé entre la direction de l'axe rapide de la biréfringence observée en Iran central et le déplacement actuel relatif ou absolu des plaques. La biréfringence observée doit donc avoir son origine dans une anisotropie gelée dans la lithosphère du bloc d'Iran central liée à un épisode tectonique plus ancien que la collision continentale entre les deux plaques.

La Chaîne Hercynienne est un objet majeur de la tectonique européenne, néanmoins sa structure profonde demeure mal connue. Le Massif Armoricain est un segment préservé de cette chaîne, il présente une structuration NO-SE, parallèle à la direction générale de la chaîne dans cette région. Il est habituellement divisé en trois domaines séparés par deux zones de cisaillement majeures, les Cisaillements Nord- et Sud-Armoricains. Le Massif Armoricain présente l'avantage de n'avoir été affecté par aucun événement tectonique ou thermique important depuis les temps hercyniens et constitue donc un objet particulièrement intéressant pour l'étude d'une chaîne de collision ancienne. Dans le cadre du Programme GéoFrance3DARMOR2, deux expériences d'écoute sismologique passive ont été menées en 1997 et 1999 dans le Massif Armoricain. Les objectifs étaient : (1) la détermination de l'extension en profondeur des deux zones de cisaillement ; (2) la détermination de leur géométrie profonde ; (3) l'imagerie précise du complexe métamorphique des Nappes de Champtoceaux (roches de haute pression exhumées au stade précoce de la collision hercynienne). Les données collectées ont permis de modéliser l'anisotropie sismique et de construire un modèle tridimensionnel des variations de la vitesse des ondes P sous le Massif Armoricain. L'imagerie de la croûte ne permet pas de mettre en évidence l'enracinement supposé des Nappes de Champtoceaux. En revanche, les images obtenues pour le manteau supérieur montrent un signal clair interprété comme la signature d'une subduction à vergence nord qui se termine au Dévonien (~350 Ma) pour laisser place à un régime transpressif intense au niveau du Cisaillement Sud-Armoricain au début du Carbonifère. Ces mêmes résultats montrent que l'extension du Cisaillement NordArmoricain est limité à la croûte tandis que le Cisaillement Sud peut être suivi jusqu'à plus de 150 km de profondeur.

L'existence d'un point chaud localisé en Afar est confirmée. Principalement deux composants mantelliques interviennent dans la genèse des laves du Sud de la Mer Rouge et d'Afar: un manteau appauvri en LREE et une source présentant des caractéristiques du pôle HIMU. Certains basaltes des plateaux éthiopiens et d'Afar (en particulier ceux émis avant l'ouverture du Golfe de Tadjoura) sont contaminés par la croûte continentale. Les résultats analytiques présentés ici, suggèrent que certains basaltes djiboutiens récents et des laves acides d'Afar sont contaminés par des gabbros hydrothermalisés. A aucun moment ne sont émis de façon massive des basaltes aux caractéristiques attribuables au manteau lithosphérique. Les basaltes d'Arabie ne peuvent pas être intégrés de façon simple au modèle de point chaud unique associé à l'ouverture de la Mer Rouge. L'existence d'un autre point chaud localisé au Nord de Djeddah est une hypothèse à envisager.

La découverte récente de roches mantelliques à l'affleurement en pied de marge continentale passive, à la limite entre la croûte continentale amincie et la croûte océanique, a remis en question les modèles d'extension de la lithosphère continentale. Deux approches ont été choisies ici pour essayer de comprendre les mécanismes d'amincissement de la lithosphère continentale et de remontée du manteau sous une zone de rift: (1) une approche expérimentale sur modèles réduits analogiques dimensionnés, comparés à des modèles analytiques et (2) une étude pétro-structurale des péridotites et des roches du socle continental de la marge profonde de la Galice. Les modèles montrent que la déformation de la lithosphère, assimilée à une multicouche fragile-ductile, est guidée par l'amplification d'instabilités dues à l'hétérogénéité verticale de la structure rhéologique; en extension, ces instabilités développent le boudinage des niveaux les plus résistants (croûte supérieure et manteau superficiel pour une lithosphère stable de 100 à 120 km d'épaisseur). Ce boudinage est accomodé dans les niveaux ductiles découplants (croûte inférieure et manteau lithosphérique) par la création d~ zones de cisaillement en faille normale. Le couplage des niveaux résistants contrôle la largeur et le degré de symétrie interne de la zone lithosphérique déformée. Ce modèle mécanique de formation des marges par boudinage montre en particulier que la remontée du manteau sous une zone de rift jusqu'à la surface peut être une conséquence directe de l'amincissement de la lithosphère; le dôme mantellique est symétrique, tandis que la structure interne de la lithosphère amincie peut être asymétrique. L'étude pétro-structurale des péridotites serpentinisées de la marge de la Galice a montré qu'elles ont subi une fusion partielle limitée dans les conditions du faciès à plagioclase, compatible avec une décompression adiabatique pendant leur remontée. Elles ont été mylonitisées pendant leur mise en place dans la lithosphère dans une zone de cisaillement à rejet normal à faible pendage vers le continent, puis ont subi une déformation cassante et une serpentinisation tardive en arrivant près de la surface. Cette évolution et la cinématique de la déformation sont compatibles avec la montée d'un dôme mantellique à l'aplomb de la zone ' lithosphérique amincie pendant la phase de rifting continental qui a précédé l'océanisation. Le modèle de boudinage est appliqué à la formation de la marge de la Galice, en tenant compte des contraintes apportées par la structure et l'évolution de la marge et des péridotites.

La zone de subduction des Tonga-Kermadec est le résultat d une évolution géodynamique complexe. L intéraction des mécanismes d ouverture du domaine arrière-arc, de la subduction de la ride oblique de Louisville, de la déchirure de la plaque Pacifique plongeante ou encore d une obliquité de convergence croissante du Nord au Sud de la zone, est à l origine de la segmentation morphotectonique actuelle du système. Une approche couplée de modélisation numérique 3D et de sismotectonique a permis d étudier l état de contrainte d un système convergent induit lors de la subduction d une plaque océanique le long d une marge courbe ou encore, lors de la subduction d un relief océanique. Pour cela, un code numérique en éléments finis thermo-mécanique en 3D (ADELI-3D) a été développé par R. Hassani, puis validé dans le cadre de cette thèse. Les résultats soulignent un effet significatif des variations latérales d un système convergent sur les déformations lithosphériques engendrées. (1) Dans le cas de marges à géométrie courbe, une convexité ou concavité vers l océan, induit respectivement un régime compressif ou extensif dans la plaque supérieure et ce, quel que soit le contraste de densité entre la lithosphère et l asthénosphère ou encore la valeur du coefficient de friction interplaque. (2) Les résultats des simulations numériques 3D et de l étude sismotectonique ont mis en évidence le rôle significatif de la subduction d une ride océanique sur l état de contrainte de la plaque supérieure. La subduction d une ride se traduit par la surrection de la marge et un régime compressif au front du relief en subduction. Nos simulations montrent que la distribution des contraintes au sein de la plaque chevauchante est contrôlée par l obliquité de la ride. Dans la plaque chevauchante du système Tonga-Kermadec, une segmentation tectonique et cinématique des zones d arc et d arrière-arc est mise en évidence à travers la résolution de l état de contraintes déduit des mécanismes au foyer. Un régime de contraintes similaire est obtenu dans nos modèles 3D et nous permet de confirmer le rôle significatif de la subduction de la ride de Louisville sur la structuration actuelle du bassin arrière-arc de Lau. (3) L étude de la distribution de la sismicité et des mécanismes au foyer de la plaque plongeante révèle une influence de cette ride sur le comportement profond de la plaque. Un saut de subduction, qui coïncide avec l arrivée de la ride de Louisville dans la fosse est mis en évidence au Nord de la ride de Peggy. Ce saut de subduction s est accompagné d un détachement de la partie profonde du panneau plongeant, souligné par une vaste lacune de sismicité sous le Bassin de Lau. Une étude fine de la distribution de la sismicité de la plaque supérieure a permis d identifier de nouvelles structures tectoniques dans le Nord du système Tonga, à savoir l axe Futuna-Niua Fo ou, interprété comme une ancienne frontière de plaques et l accident intra-arc de Niuatoputapu, impliqués dans la réorganisation globale du système.

Mon travail de thèse s'est attaché à caractériser le manteau supérieur Patagonien à travers l'étude pétrologique et géochimique d'enclaves mantelliques échantillonnées par des basaltes alcalins mise en place au Cénozoïque en contexte d'arrière arc. Les enclaves du Nord de la Patagonie conservent d'importants stigmates de processus de fusion partielle alors que dans celles du Sud, les circulations de liquide ont oblitérées, partiellement voire totalement, les empreintes de fusion partielle. Finalement, cette étude permet de proposer que les liquides qui ont métasomatisés à grande échelle le manteau patagonien, principalement au Sud, sont essentiellement de type silicaté mafique d'affinité alcaline. Ces liquides sont certainement à relier aux différentes phases magmatiques associés à des processus de remontées asthénosphériques et non pas à des processus de déshydratation de slab.

La lithosphère continentale est physiquement et chimiquement segmentée. La cartographie des isotopes radiogéniques de roches plutoniques acides, représentatives de la croûte continentale, et de laves basiques, représentatives du manteau, possède des similarités avec la cartographie sismique de la lithosphère sous-jacente. Ces similitudes permettent d'interpréter les observations sismiques en étudiant leurs caractéristiques chimiques et leur âge. Les isotopes du plomb permettent de dater et d'identifier l'empilement de segments crustaux qui forment la croûte. L'écart des âges modèles du plomb avec d'autres systèmes identifie le recyclage crustal et le réchauffement de la croûte au dessus de la température du système plomb-plomb. Le système plomb-plomb donne également accès au sous-étudié rapport Th/U qui contraint la profondeur de la source des roches continentales. Certains échantillons de l'ouest U.S.A. proviennent de la croute inférieure, et se sont formés par l'extension crustale ou par un flux de matériel au sein de la croûte. Les isotopes du néodyme et de l'hafnium marquent la fusion du manteau lithosphérique enrichis sous le Colorado Plateau, une région où est observée le détachement du manteau lithosphérique sub-continental. Ce manteau fond par décompression adiabatique, par extension localisée ou remontée asthénosphérique engendrée par la convection locale. Au final, l'association des systèmes isotopiques du plomb, du néodyme, et de l'hafnium avec la sismologie est une approche puissante pour étudier la formation et la déformation de la lithosphère continentale.