Ce travail est consacré aux études cinétiques et thermodynamique des processus qui produisent les magmas basaltiques (basalte de dorsale océanique ou MORB et basalte de l'île océaniques ou OIB) dans la lithosphère, notamment lors de l'interaction du magma avec la lithosphère serpentinisée. Dans ce travail, nous avons testé l'hypothèse selon laquelle la genèse des chromitites de la zone de transition entre le manteau et la croute peut être la conséquence de l'interaction du magma basaltique avec le protolite du manteau serpentinisé. Une étude détaillée du corps de chromitites nodulaires dans les dunites hôtes de la région Maqsad de l'ophiolite d'Oman a été réalisée. Dans l'étude pétrologique, nous avons démontré une relation génétique étroite entre les dunites hôtes et les chromitites nodulaires et disséminées lors de la cristallisation sans équilibre des cristaux de chromite à partir de l'étude des inclusions piégées dans la chromite. Les expériences d'équilibre sur la saturation des liquides basaltiques et haplobasaltiques en chromite et en magnesiochromite comme la fonction de la fugacité d'oxygène (de ΔFMQ (-2) à ΔFMQ (+2)) ont été effectuées à une température constante de 1450 ° C et une pression de 0,1 MPa. Pour la première fois, les concentrations de chrome dans les liquides basaltiques saturés en magnesiochromite ont été mesurées. Les teneurs en Cr lors de la saturation en magnesiochromitre est de ~ 6800 ppm à ΔFMQ (-2), ~ 4500 ppm à ΔFMQ et 3500 ppm à ΔFMQ (+2), qui sont plus élevés par rapport à ceux (~ 6300 ppm à ΔFMQ (-2), 2900 ppm à ΔFMQ et 2000 ppm à ΔFMQ (+2)) de saturation en chromite (système contenant du Fe). Ce fait a une implication importante pour l'assimilation du manteau serpentinisé par des magmas basaltiques. Sur la base de toutes les données disponibles sur la saturation des liquides mafiques et ultramafiques en chromite, nous avons créé un nouveau modèle prévisible de solubilité de chromite et magnéstochromite dans les liquides en fonction de la température, de la fugacité d'oxygène et de la basicité optique du liquide : [X liq Cr tot]/[X Chr Cr2O3] = exp(a+b*lambda+c/T)*(1+fO2^(-0.25)*exp(d+k/T+g*lambda)), où [X liq Cr tot] est la fraction molaire du chrome dans le liquide silicaté, [X Chr Cr2O3] est la fraction molaire de l'oxyde de chrome dans le chromite, T est la température en Kelvins et fO2 est la fugacité de l'oxygène (en bars), lambda est la basicité optique du liquide, a (-7.01), b (13.72 ), c (-12404.92), d (24.46), k (24394.65), g (-23.59) sont des constantes. Des expériences cinétiques sur l'interaction serpentinite-basalte ont été effectuées à des températures entre 1200 et 1300 C et la pression de 0,2 à 1,0 GPa. Les données impliquent que la réaction est contrôlée par un mécanisme à plusieurs étapes: (i) une transformation métamorphique prograde de la serpentinite en harzdurgite (Fo92-95 mol. %) à spinelles riches en Cr (ii) la dissolution progressive de l'assemblage de harzburgite avec la formation des liquides basaltique à andésitique et (iii) l'assimilation finale de l'association de harzburgite par le basalte avec la formation du liquide basique hydraté appauvri ('depleted' et enrichi en Mg, Cr) à 0,5 - 1,0 GPa (51% pds de SiO2, 12 à 13% pds de MgO). / This work is devoted to kinetic and thermodynamic investigation of processes happening during basaltic (mid-ocean ridge basalt, MORB and ocean island basalt, OIB) magma genesis and evolution in the lithosphere, in particular, during the magma interaction with the serpentinized lithosphere. In this work, we tested hypothesis that the chromitite genesis at the Moho transition zone may be consequence of interaction of basaltic magma with serpentinized mantle protolith. Detailed field investigation of the nodular chromitites ore body in the host dunite at Maqsad area of the Oman ophiolite has been performed. In the petrologic investigation, we have demonstrated close genetic relationship between the host dunites and the nodular and disseminated chromitites during non-equilibrium crystallization of chromites based on investigation of chromite-hosted inclusions. Equilibrium experiments on chromite and magnesiochromite saturation in basaltic and haplobasaltic melts as function of oxygen fugacity (from ΔFMQ(-2) to ΔFMQ(+2)) were performed at a constant temperature of 1450 C and pressure of 0.1 MPa. For the first time, chromium concentrations in basaltic melts at magnesiochromite saturation were determined. The Cr contents at magnesiochromitre saturation are from ~6800 ppm at FMQ(-2), ~4500 ppm at FMQ and 3500 ppm at ΔFMQ(+2), that are higher compared to those (~ 6300 ppm at ΔFMQ(-2), 2900 ppm at ΔFMQ and 2000 ppm at ΔFMQ(+2)) of chromite saturation in Fe-bearing system. This fact has an important implication for serpentinized mantle assimilation by basaltic magmas. Based on all available data on chromite saturation in mafic and ultramafic melts, we created a new predictable model of chromite and magnesiochromite solubility depending on temperature, oxygen fugacity and the melt optical basicity: [X liq Cr tot]/[X Chr Cr2O3] = exp(a+b*lambda+c/T)*(1+fO2^(-0.25)*exp(d+k/T+g*lambda)), where [X liq Cr tot] is molar fraction of chromium in the silicate liquid, [X Chr Cr2O3] is molar fraction of the chromium oxide in the chromite, T is temperature in Kelvins and fO2 is oxygen fugacity (in bars), lambda is optical basicity, a (-7.01), b (13.72), c (-12404.92), d (24.46), k (24394.65), g (-23.59) are constants. Kinetic experiments on serpentinite-basalt interaction have been performed at temperatures of 1200 - 1300 C and pressure range from 0.2 to 1.0 GPa. The data imply that the reaction is controlled by multi-stage mechanism: (i) prograde metamorphic transformation of serpentinite to Cr-rich spinel-bearing harzdurgite (Fo92-95 mol.%) (ii) progressive dissolution of harzburgite assemblage with formation of hydrous basaltic to andesite melts and (iii) the final assimilation of the harzburgite association by basalt with formation of hydrous depleted basaltic melts at 0.5 - 1.0 GPa (51 wt% of SiO2, 12 - 13 wt.% of MgO contents). We experimentally demonstrate that serpentinite assimilation by basaltic melt at 0.5 - 1.0 GPa happening at average rate of 4.3 × 10-10 m2/s at 1300°C is controlled by silica diffusion in hydrous basaltic melt. Our experimental work provides incontestable evidence that depleted MORB melts, depleted high-Mg-Cr cumulates, and oceanic andesites can be routinely produced from "normal" mid-ocean ridge melts by chemical reaction with serpentinized lithospheric mantle. Our study prevents routine interpretation of depleted and primitive oceanic melts (MORB and OIB) as uniquely derived from a deep mantle. The data obtained in this work confirm that serpentinites, which may have been important constituents of the Hadean crust as a whole were possibly involved in the generation of the first continental crust.

Ce travail est constitué de deux volets indépendants qui s'intéressent respectivement à la géochimie isotopique du lithium et à la variabilité géochimique des MORB du Pacifique sud. L'utilisation des isotopes du lithium en Sciences de la Terre est abordée dans un premier temps au travers de l'étude des laves de la Chaîne des Puys. Les échantillons de cette série volcanique intraplaque permettent d'apporter des contraintes sur les valeurs de la composition isotopique du Li dans la croûte continentale inférieure et dans le manteau d'affinité HIMU sous le Massif Central. La deuxième étude s'intéresse au comportement du Li lors du refroidissement d'une lave. Pour cela, des analyses in situ de la composition isotopique du Li ont été réalisé au travers de phénocristaux d'olivine d'un échantillon de picrite. Ces mesures ont permis de mettre en évidence un processus de fractionnement isotopique dû à la diffusion du Li dans les cristaux. Le deuxième volet de ce travail présente les résultats de la campagne océanographique PACANTARCTIC2. L'analyse des rapports d'éléments en traces et de la composition isotopique des isotopes radiogéniques (Sr, Nd, Pb et Hf) dans les basaltes collectés entre 53°S et 39°S le long de la dorsale Pacifique-Antarctique, permet d'étudier la variabilité des basaltes de dorsale loin de tout point-chaud. Cette étude mets en évidence différentes échelles d'hétérogénéités géochimiques dans la source de ces MORB. Ces variations le long de l'axe correspondent aux différents types de segmentation de la dorsale.

L'évolution d'une zone de subduction est reliée aux transformations pétrologiques de la plaque plongeante et à leurs cinétiques. Plusieurs exemples illustrant cette relation ont été étudiés expérimentalement, à l'aide des techniques de HP-HT (presse large volume, cellule à enclumes de diamant chauffage laser) et de la diffraction de rayons X in situ source synchrotron. (i) La vitesse de transformation de la coésite vers son polymorphe de basse pression, le quartz, a été déterminée. Cette cinétique de rétromorphose permet de discuter les modalités de préservation de la coésite lors de son retour vers la surface, et par là les processus tectoniques à l'origine de l'exhumation des roches de ultra-haute pression. L'utilisation du taux de rétromorphose de coésites naturelles pour la modélisation des chemins P-T-t d'exhumation est discutée. (ii) La déstabilisation de l'antigorite (serpentine), dans des conditions de faible activité d'H2O, libère des fluides à une vitesse de 10-6 à 10-8 m3fluide.m-3roche.s-1. Ces taux de production de fluides seraient susceptibles d'occasionner une augmentation de la pression de fluides et une hydrofracture de la matrice rocheuse. La déshydratation de l'antigorite pourrait ainsi expliquer la séismicité du plan inférieur des zones à doubles plans de Bénioff. (iii) L'assemblage minéralogique d'un basalte de ride médio-océanique (MORB) dans le manteau inférieur est constitué majoritairement de Mg-pérovskite, Ca-pérovskite et stishovite. De 800 à 1150 km de profondeur, deux phases alumineuses sont présentes, l'une de structure calcium ferrite et l'autre nommée "new aluminum phase" (NAL), et représentent 20% pds de l'assemblage. A ~1200 km, la phase NAL disparaît alors que toutes les autres phases restent stables jusqu'à 1400 km au moins. De 800 à 1400 km, la densité de la croûte océanique à l'équilibre thermique est plus élevée que celle du manteau environnant. En outre, la disparition de la NAL conduit à un saut de densité de +1% qui pourrait être responsable de réflecteurs sismiques profonds observés dans les zones de subduction péri-Pacifique. (iv) Enfin, des investigations sur l'analyse chimique à l'échelle sub-micronique d'échantillons de pétrologie expérimentale par sonde ionique nanoSIMS sont présentées.

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.

Les termes acides et basiques des massifs ophiolitiques du Montgenèvre et de Haute- Ubaye sont étudiés en parallèle dans ce travail. L'étude pétrographique (notamment l'étude typologique des zircons pour les albitites) et la géochimie des éléments majeurs confirment la nature tholéilique des magmasétudiés. L'étude du comportement des éléments traces (Zr, Y, Nb,Th, Cr, REE) permet de mettre en évidence, pour le Montgenèvre,une évolution continue des roches basiques conduisant de basaltes enrichis en LREE, situés à la base de la série, à des basaltes appauvris en LREE (N -MORB typiques) tardifs et représenlés par les coulées aphyriques supérieures et certains filons doléritobasaltiques. Une telle évolution paraît refléter une fusion partielle dynamique, seule capable d'expliquer les variations importantes du rapport La/Sm. Les roches basiques de Haute- Ubaye montrent une plus grande homogénéité géochimique que celles du Montgenèvre avec une majorité de spectres de terres rares bombés. Les variations du taux de fusion partielle (Montgenèvre) et les caractères de la cristallisation fractionnée (Montgenèvre el Haute Ubaye) sont précisés. L'étude des éléments-lraces des albitites des deux ensembles révèle également la diversité géochimique de ces roches et vraissemblablement l'existence de plusieurs souches parentales. Au Montgenèvre, seules les albitites massives de la Replatte du Gondran (Chenaillet) peuvent être considérées comme cogénétiques des basaltes en coussins. Les albitites de la Punta Rascia (Italie) seraient plus anciennes, postérieures au premier épisode magmatique à l'origine de la grande masse gabbroïque du Montgenèvre. En Haute- Ubaye, il n'existe aucune filiation géochimique nette entre les roches basiques et les roches acides. Les observations de terrain et les données géochimiques permettent d'envisager une évolution temporelle complexe où les termes effusifs paraissent s'être mis en place tardivement et latéralement par rapport au rift océanique. L'étude typologique des zircons des éléments acides d'une brèche polygénique située à l'interface ophiolite-sédiments dans la partie orientale du massif a montré la nature calco-alcaline de certains de ces éléments. Par comparaison avec des brèches semblables étudiées dans le Queyras, ces éléments pourraient provenir du démantèlement de la croûte continentale voisine. Ainsi, les ophiolites du Montgenèvre sont, par leur position structurale et leurs caractéristiques géochimiques, à rapporter vraissemblablement aux premiers termes du magmatisme océanique téthysien.

Ce travail repose sur (1) une étude de terrain des cumulats lités de l'ophiolite d'Oman, notamment dans plusieurs massifs où cette unité restait largement inexplorée, (2) une étude pétrographique et géochimique (microsonde électronique et LA-ICP-MS) d'environ 700 échantillons et (3) une simulation en laboratoire de la cristallisation de magmas boninitiques en présence d'eau. La cinquantaine de faciès pétrographiques définie, gabbroïques et ultrabasiques, est indispensable pour décrire rigoureusement la croûte profonde omanaise. Cette variété lithologique est révélatrice de la très grande variabilité des paramètres intensifs (P, T°, PH2O ...) et extensifs (composition) lors de la cristallisation des magmas au sein des chambres magmatiques à l'aplomb d'un centre d'expansion océanique. L'orthopyroxène précoce dans les cumulats primitifs (XMg > 80 %) est beaucoup plus commun que ce qui était proposé jusqu'à présent, ce qui remet en cause certaines idées reçues concernant l'origine de l'ophiolite. Je démontre que cette variété lithologique, l'abondance d'orthopyroxène, et d'autres caractéristiques pétrographiques et géochimiques des cumulats d'Oman s'expliquent par le mélange, dans des proportions variables, de deux principaux magmas : un d'affinité tholéiitique issu de la fusion d'une source asthénosphérique " N-MORB ", et un d'affinité andésitique à boninitique issu de la fusion hydratée d'une source lithosphérique déprimée. Ces deux magmas ont circulé dans des chenaux mantelliques (" filons ") avant d'alimenter les chambres. Le rôle de " mélangeur " des chambres magmatiques est ainsi confirmé. La contribution relative de ces deux magmas évolue au cours de l'ascension de diapirs asthénosphériques dans la lithosphère. Des variations abruptes de la pression partielle d'eau sont également indispensables pour rendre compte de l'ensemble de mes observations. Je montre aussi que les failles syn-accrétions, dont l'importance en Oman restait largement sousévaluée, sont un vecteur principal de la pénétration de fluides hydrothermaux jusque dans la croûte profonde en cours de cristallisation. Mon étude me permet également de mieux contraindre l'origine, encore très discutée, des intrusions " wehrlitiques " et de la zone de transition dunitique.