Les laves d'arc ont une géochimie complexe du fait de l'hétérogénéité des magmas primitifs et de leur transformation dans la croûte. L'identification des magmas primitifs dans les arcs continentaux est difficile du fait de l'épaisseur de la croûte continentale, qui constitue un filtre mécanique et chimique à l'ascension des magmas. En Équateur, cette problématique est particulièrement critique du fait de la grande épaisseur de la croûte (≈ 50-60 km) et de la rareté des magmas primitifs arrivant en surface. Cette thèse a pour but de déterminer la composition des liquides primitifs dans l'arc équatorien, à l'échelle de l'arc entier, et à celle de deux édifices volcaniques : le Pichincha et le Tungurahua. Elle vise également à mieux comprendre comment ces liquides primitifs évoluent à travers la croûte continentale. En Équateur, le pendage, le relief et l'âge de la plaque plongeante varient du nord au sud de l'arc. Ainsi, la première partie de la thèse aborde la question de l'influence de ces paramètres sur la géochimie des magmas, via une étude sur roches totales couvrant la totalité de l'arc. Elle confirme les variations géochimiques décrites à travers l'arc par les études précédentes : augmentation de la teneur en éléments incompatibles et diminution de l'enrichissement en éléments "mobiles" d'est en ouest. L'étude identifie des variations géochimiques le long du front volcanique (e.g., rapport Ba/Th), liées au changement de nature des fluides métasomatiques, qui sont aqueux au centre de l'arc (environ 0,5°S) et silicatés au Nord et possiblement au Sud. Ce changement est attribué à la jeunesse du plancher océanique dans le nord de l'arc, qui pourrait promouvoir la fusion de la plaque plongeante. Enfin, il semble que la contamination par la croûte inférieure augmente vers le sud du front volcanique. Dans un deuxième temps, les produits émis par le Tungurahua lors de ses derniers 3000 ans d'activité sont étudiés. À cette échelle de temps, les paramètres tectoniques de la première étude sont constants. Ce travail détaille le rôle de la croûte dans la production des magmas différenciés, qui sont systématiquement associés à des éruptions plus explosives. Elle conclut que les andésites ont des compositions isotopiques hétérogènes (206Pb/204Pb = 18,834 - 19,038), acquises en profondeur (manteau ou croûte inférieure), qui se restreignent lors de la différenciation des andésites en dacites (206Pb/204Pb = 18,965 - 19,030), par cristallisation fractionnée et assimilation de la croûte supérieure locale (7-9 %). Enfin, la troisième partie de la thèse se focalise sur l'hétérogénéité des magmas primitifs. Des études sur minéraux individuels ont été effectuées au Pichincha et au Tungurahua, et montrent que la majorité des minéraux sont en déséquilibre avec la roche hôte (jusqu'à 8600 ppm en 206Pb/204Pb). Au Pichincha, la diversité des minéraux échantillonnés permet d'identifier la diversité des liquides mantelliques (206Pb/204Pb = 18,816 - 19,007), qui s'alignent dans les espaces Pb-Pb. Comme dans le cas des roches totales du Tungurahua, l'assimilation crustale écrase cette diversité isotopique lors de la différenciation des liquides primitifs, dont la signature n'est pas préservée dans les roches. Au Tungurahua, les minéraux individuels montrent que l'hétérogénéité des signatures est acquise en profondeur. L'analyse de deux lots d'olivines met en évidence une signature radiogénique dans les liquides primitifs du Tungurahua, interprétée comme la présence de croûte délaminée dans la source mantellique du Tungurahua. Enfin, l'étude de lots d'olivines provenant de sept volcans équatoriens montre qu'il n'existe pas de signature primitive unique dans l'arc. La totalité de l'hétérogénéité isotopique des magmas est héritée du manteau (206Pb/204Pb = 18,583 - 19,000). Les compositions des liquides primitifs sont ensuite déviées par la contamination crustale, dans la majorité des cas, vers des signatures plus radiogéniques. / Arc lavas display a complex geochemistry resulting from the heterogeneity of primitive magmas and their transformation within the crust. Identifying primitive magma compositions in continental arcs is challenging because continental crust is thick and acts as a mechanical and chemical filter for ascending magmas. This issue is particularly criticial in Ecuador owing to the great thickness of the continental crust (≈ 50-60 km) and the scarcity of erupted primitive magmas. This thesis aims to determine the composition of primitive silicate melts in the Ecuadorian arc, on the scale of the whole arc, as well as on the scale of two volcanic edifices: the Pichincha and the Tungurahua. This study also intends to better understand how those primitive melts evolve during their journey through the continental crust. In Ecuador, slab dip, relief and age change from north to south. Hence, the first part of the PhD focuses on the influence of those parameters on magma geochemistry, through a whole rock study covering the entire arc. It confirms the across-arc geochemical variations described by previous studies: an increase of incompatible element contents and a decrease of fluid-mobile over fluid-immobile element ratios from west to east. We identify along-arc geochemical variations in the volcanic front (e.g. Ba/Th), related to the changing nature of metasomatic fluids, which are aqueous fluids at the centre of the arc (around 0.5°S) and silicate melts to the north and probably to the south. This change may be due to the subduction of a younger and warmer oceanic crust to the north, which might promote slab melting. Lastly, it seems that deep crustal contamination increases towards the south of the volcanic front. Secondly, volcanic products emitted for the last 3,000 years at Tungurahua are studied. On this timescale, the tectonic parameters of the first study are constant. This work details the role of continental crust in the production of differentiated magmas, which are systematically associated with more explosive eruptions. We conclude that andesites have heterogeneous isotopic compositions (206Pb/204Pb = 18.834 - 19.038), acquired at depth (mantle or deep crust), that homogeneize through andesite differentiation to dacite (206Pb/204Pb = 18.965 - 19.030) by fractional crystallization and assimilation of the local upper crust (7-9 %). Lastly, the third part of the PhD focuses on the heterogeneity of primitive magmas. We study individual minerals from Pichincha and Tungurahua volcanoes and show that most minerals are in disequilibrium with their host rock (up to 8,600 ppm for 206Pb/204Pb). The diversity of Pichincha minerals allows the identification of mantle melt diversity (206Pb/204Pb = 18.816 - 19.007), with compositions forming a tight trend in Pb-Pb isotope spaces. As for Tungurahua whole rocks, crustal assimilation erases the diversity of primitive melt isotope signatures through differentiation, so that primitive melt signatures are not preserved in whole rock samples. At Tungurahua, individual minerals show that the heterogeneity of isotope compositions is acquired at depth. The analysis of two olivine fractions reveals the existence of a radiogenic signature in the mantle source of Tungurahua volcano, interpreted as the presence of delaminated crust within the mantle beneath its edifice. Finally, olivine fractions from seven Ecuadorian volcanoes highlight the fact that no unique primitive signature exists in the arc. Isotopic heterogeneity is entirely inherited from the mantle (206Pb/204Pb = 18.583 - 19.000). Primitive melt compositions are then shifted by continental crust contamination which, in most cases, results in more radiogenic signatures.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The Lagoa do Roçado Granodioritic Stock is a body with approximately 12 km2, elongated intrusive in metasediments Macururé Domain, located in central region of Sergipana Belt. The rocks that make up this stock are gray color, predominantly equigranular, occurring sometimes inequigranular. In the central part of the body occurs frequently, the presence of microgranular mafic enclaves. Petrographic studies allowed to identify that this stock is essentially composed of granodiorite with biotite, hornblende and diopside, with the accessories, titanite, allanite, pistacita, zircon, apatite and opaque minerals. Geochemical data show that its rocks are calc-alkaline high potassium microgranular mafic enclaves with showing affinity with the shoshonitic suite. The good linear correlation identified in Harker diagrams between felsic and mafic types is suggestive that the process of magma mixing is responsible for the chemical variation found . The spectra of the rocks have REE fractionation of light REE relative to heavy REE and a weak negative anomaly in Eu, indicating fractionation of plagioclase. These rocks thrown when the tectonic affinity diagrams of Pearce (1996), positioned in the post-tectonic granites field. Isotopic analyzes for zircon sample of biotite-hornblende-granodiorite (187A), were obtained by SHRIMP IIe at Geochronology Laboratory of the Universidade de São Paulo . The zircon crystals are exhibited as elongated prisms with length versus width proportions 3:1. Cathodoluminescence images reveal that these crystals show up clear or oscillatory zoning, typical of magmatic zircon. Data U/Pb zircon ages reveal a concordant age of 618 ± 4 Ma (MSWD = 0.7). This is similar to the age old crystallization obtained by Long et al. 2005 for Coronel João Sá Massif (626 ± 2 Ma) located in the western part of the Macururé Domain, which presents petrographic and geochemical characteristics similar to the Lagoa do Roçado Granodioritic Stock. The age obtained for these rocks suggests that the Lagoa do Roçado Granodioritic Stock is positioned as the late to posttectonic in relation to the Brasiliano Orogeny. / O Stock Granodiorítico Lagoa do Roçado é um corpo com aproximadamente 12 km2, forma alongada, intrusivo nos metassedimentos do Domínio Macururé, localizado na região central da Faixa Sergipana. As rochas que compõe esse stock são de cor cinza, predominantemente equigranulares, ocorrendo por vezes inequigranulares. Na parte central do corpo, ocorre com frequência, a presença de enclaves máficos microgranulares. Os estudos petrográficos permitiram identificar que esse stock é essencialmente constituído por granodioritos com biotita, hornblenda e diopsídio, tendo como acessórios, titanita, allanita, pistacita, zircão, apatita e minerais opacos. Os dados geoquímicos revelam que suas rochas são cálcio-alcalinas de alto potássio com os enclaves máficos microgranulares exibindo afinidade com a suíte shoshonítica. A boa correlação linear identificada nos diagramas de Harker entre os tipos félsicos e máficos é sugestiva de que o processo de mistura de magmas seja o responsável pela variação química encontrada. Os espectros dos ETR das rochas apresentam fracionamento dos ETR leves em relação aos ETR pesados e uma fraca anomalia negativa em Eu, indicando fracionamento de plagioclásio. Essas rochas quando lançadas nos diagramas de afinidade tectônica de Pearce (1996), posicionam-se no campo dos granitos póstectônicos. As análises isotópicas em zircão para a amostra de biotita-hornblendagranodiorito (187A), foram obtidas por SHRIMP IIe no Laboratório de Geocronologia da Universidade de São Paulo. Os cristais de zircão exibem-se como prismas alongados, com proporções comprimento versus largura 3:1. Imagens de catodoluminescência revelam que esses cristais mostram-se límpidos ou com zonação oscilatória, característica típica de zircão magmático. Os dados U/Pb em zircão revelam uma idade concordante de 618 ± 4 Ma (MSWD = 0,7). Esta idade é similar à idade de cristalização obtida por Long et al. 2005, para o Maciço Coronel João Sá (626 ± 2 Ma) localizado na parte oeste do Domínio Macururé, o qual apresenta características petrográficas e geoquímicas similares às do Stock Granodiorítico Lagoa do Roçado. A idade obtida para estas rochas, sugere que o Stock Granodiorítico Lagoa do Roçado posiciona-se como tardio a pós-tectônico em relação à Orogênese Brasiliana.

La plupart des gisements de Ni-Cu sont issus de magmas komatiitique ou tholéiitique associés à des panaches mantelliques. Leur genèse fait intervenir l’exsolution d’un liquide sulfuré immiscible, l’interaction entre les liquides silicaté et sulfuré afin de concentrer ce-dernier en éléments chalcophiles, et l’accumulation du liquide sulfuré en quantités économiques. La saturation en sulfure est généralement atteinte en réduisant la solubilité des sulfures. Celle-ci se fait par assimilation de roches encaissantes siliceuses et/ou sulfurés.Le dyke d’Älgliden de la ceinture de Skellefte, en Suède, contient des sulfures de Cu et Ni dont les quantités ne sont actuellement pas économiques. La minéralisation d’Älgliden est atypique dans la mesure où elle contient d’importantes teneurs en Au, elle a un faible rapport Ni/Cu et enfin est formé dans un contexte de subduction. Le dyke recoupe un gisement porphyrique à Cu-Au contenant des sulfures ce qui laisse suggérer que la minéralisation d’Älgliden est formée par assimilation.Les objectifs de ce projet de recherche étaient d’examiner les processus de formation de la minéralisation d’Älgliden et son potentiel minier ainsi que de mieux comprendre la formation des gisements à Ni-Cu en contexte de subduction. Ce travail inclut l’étude pétrologique du minerai et de ses roches hôtes, la détermination de compositions minérales, l’analyse des éléments majeurs et traces sur roche totale et enfin des analyses des isotopes du soufre. Ce projet a été financé par la compagnie Boliden qui détient le gisement d’Älgliden.Le dyke est composé en majeure partie de norite à olivines, et minoritairement de leucogabbros. Les compositions sur roches totales, les textures magmatiques et les compositions minérales suggèrent que les norites à olivine se sont formées par accumulation d’olivine tandis que les leucogabbros représentent des liquides résiduels avec ou sans cristaux cumulus de plagioclase ± orthopyroxene. Les norites sont interprétées comme étant formées par une ou deux injections de bouillie cristalline suivie de cristallisation fractionnée. Le magma parent des roches d’Älgliden était un basalte hydraté et évolué dont la teneur en MgO est estimé à 6%.Le minerai sulfuré est principalement disséminé à travers l’ensemble de l’intrusion d’Älgliden. Quelques concentrations modérées de minerai se présentent sous la forme de sulfures en réseaux, de veines de sulfures et de sulfures massifs, lesquelles sont spatialement associées aux leucogabbros et aux xénolites de l’encaissant. L’association entre les leucogabbros et les concentrations en sulfures, leur faible teneur en métaux et leur faible rapport Ni/Cu suggèrent que la phase sulfuré s’est exsolvée tardivement au cours de la différentiation magmatique. Ce timing semble défavorable pour la minéralisation d’Älgliden puisqu’il inhibe à la fois l’interaction entre les liquides silicaté et sulfuré et l’accumulation du liquide sulfuré.La contamination du magma d’Älgliden par son encaissant n’est pas corroboré par les concentrations en élément trace et les compositions isotopiques du soufre. En revanche, ces données indiquent que le magma d’Älgliden s’est mis en place dans une zone de subduction où l’on pense que la saturation en sulfure a été atteinte par réduction d’un magma oxydé et riche en élément volatiles, via la cristallisation de magnétite et/ou dégazage. Les valeurs positives de δ34S suggèrent que l’apport de matériel dérivé du slab est responsable du caractère oxydé du magma d’Älgliden.L’état d’oxydation des magmas d’arc leur permet de dissoudre de grandes quantités de S et d’Au. Leur caractère évolué est responsable de leur fortes concentrations relatives en Au et leur faible rapport Ni/Cu. Ainsi, en contexte subduction les sulfures magmatiques sont susceptibles d’avoir ces caractéristiques, et si l’exsolution du liquide sulfuré a lieu plus tôt que dans le cas d’Älgliden cela pourrait conduire à la formation de gisements économiques. / Most major sulfide Ni-Cu deposits originated from komatiitic or tholeiitic magmas that formed in association with mantle plumes. Their genesis involves the segregation of a immiscible sulfide liquid, reaction of the sulfide liquid with silicate melt to upgrade the sulfide in chalcophile elements, and the concentration of the sulfide liquid in economic amounts. Saturation in sulfide is commonly achieved by lowering the sulfide solubility via assimilation of siliceous wall rock or by increasing the S content by adding S-bearing materials.The Älgliden dike in the Skellefte Belt in Sweden contains currently uneconomic Ni-Cu sulfide mineralization. The Älgliden mineralization is atypical insofar as it contains a significant amount of Au, has a low Ni/Cu ratio and formed in a subduction-related geodynamic setting. The host intrusion intrudes sulfide-bearing Cu-Au porphyry mineralization which led to the suggestion that the Älgliden Ni-Cu-Au mineralization was linked to the assimilation of sulfide-bearing wall rocks.The goals of this research project were to investigate the ore forming processes of the Älgliden mineralization and its ore potential, as well as to improve our understanding of the genesis of Ni-Cu deposits in subduction zones. The work is based on a petrological study of the ore and its host rocks, determination of mineral compositions, analyses of major and trace elements in bulk rocks, and sulfur isotope analyses. This was supported by the Boliden company which owns the deposit.The dike is composed mainly of olivine norites with minor leucogabbros. Bulk rock compositions, magmatic textures and mineral compositions suggest that the olivine norites formed by accumulation of olivine and that the leucogabbros represent residual melts with or without cumulus plagioclase ± orthopyroxene. The norites are interpreted to form by one or two injections of an olivine-rich crystal mush and subsequent fractional crystallization. The parental melt of the Älgliden rocks was a hydrous and evolved basalt estimated to contain ≈6 wt.% MgO.The sulfide ore is mainly disseminated throughout the whole Älgliden intrusion. Some weak ore concentrations occur as network to vein and massive sulfides that are spatially associated with the leucogabbros and wallrock xenoliths. The association between the leucogabbros and the concentrations of sulfide, their low ore grade and Ni/Cu ratio suggest that the sulfide segregated late in the differentiation process. This timing appears unfavorable for the Älgliden mineralization because it inhibited both sulfide-silicate liquid interaction and the accumulation of sulfide.Contamination of the Älgliden magma by its wall rocks is not supported by trace element data and S isotope compositions. Instead these data indicate that the Älgliden magma was emplaced above a subduction zone where the sulfide saturation is thought to occur by reduction of the oxidized and volatile-rich magma by magnetite fractionation and/or by degassing. Positive δ34S values suggest addition of slab-derived material which is thought to be responsible for the oxidized character of the Älgliden magma.The oxidation state of arc magmas allows them to carry large amounts of S and Au. Their evolved character is also responsible for their relatively high Au contents and low Ni/Cu. Such characteristics are likely to occur in magmatic sulfide mineralization in subduction zone settings, and if sulfide liquid segregation had occurred earlier than at Älgliden the process may have produced economic sulfide deposits.

Dans cette thèse on a étudié par diffraction des rayons X des polytypes à longue période de micas, qui sont des cristaux naturels formés en condition hors équilibre dans un système magmatique. Leur séquence d'empilement peut être considérée comme une combinaison plus ou moins complexe de trois polytypes à courte période 1M, 2M1 et 3T, appelés « structures de base ». L'objectif est d'obtenir les premiers affinements structuraux des ces polytypes avec attention particulière à la distribution des cations dans chaque feuillet, car, d'après la littérature, il existe vraisemblablement une relation entre cette distribution et le mécanisme de formation de ces polytypes. Plus de 120 cristaux ont été analysés, parmi lesquels deux polytypes, dont la période est formée respectivement par 4 et 5 feuillets (indiqués comme 4M3 et 5M3 respectivement en notation de Ramsdell), ont été sélectionnés. Grâce aux résultats de l'affinement, deux interprétations de formation sont possible pour le polytype 4M3, qui prennent en considération le fait que la séquence d'empilement peut-être formée par l'inter-croissance de deux sous-structures : une 3T avec une 1M ou deux sous-structures 2M1 ; dans le dernier cas il s'agit d'un exemple de « cell-twin ». Les résultats de l'affinement structural du polytype 5M3 ont permis de prouver pour la première fois la coexistence des feuillets de type M1 et M2, qui diffèrent pour la distribution cationique dans la couche octaédrique, dans le même polytype. La formation de ces polytype peut-être due à la combinaison de deux sous-structures de base et plusieurs interprétations sont possibles : 3T+1M, 3T+2M1, 1M+2M1, ou deux 1M. Une étude géologique a été effectuée pour reconstruire l'histoire de la rhyodacite contenant les polytypes à longue période. Cette roche s'est formée suite à un mélange de magma, comme indiqué par la présence de textures de déséquilibre de plusieurs minéraux, phénomène qui semble avoir un rôle important dans la formation des ces polytypes, en incrémentant l'activation et les interactions des spirales de croissance, mais aussi les interactions spirale-cristal et cristal-cristal. / We have studied by X-ray diffraction long period polytypes of micas, that are natural crystals formed far from the equilibrium condition in a magmatic system. Their stacking sequence can be considered as a more or less complex combination of three short polytypes 1M, 2M1 and 3T, called "basic structures". The aim was to obtain the first structural refinements of these polytypes, with special attention to the cationic distribution in the octahedral sheet, because, according to the literature, there seems to be a relation between this distribution and the formation of these polytypes. More than 120 crystals have been analysed, and two polytypes have been chosen, whose period is formed respectively by 4 and 5 layers (indicated as 4M3 and 5M3 respectively in Ramsdell notation). The refinement results suggest two interpretations for the formation of the 4M3 polytype, both indicating that the stacking sequence can be formed by the inter-growth of two sub-structures: a 3T with a 1M or two 2M1 sub-structures; the last case is an example of "cell twin". The results of the structural refinement of the 5M3 polytype show for the first time the coexistence of M1 and M2 types of layer, which differ for the cation distribution in the octahedral sheet, in the same polytype. The formation of this polytype can be due to the combination of two basic sub-structures and several interpretations are possible: 3T+1M, 3T+2M1, 1M+2M1, or two1M. A geological study has been done to reconstruct the history of the rhyodacite containing the long period polytypes. This rock is formed after a magma mixing, as showed by the presence of the disequilibrium textures of several minerals; this phenomenon seems to play a fundamental role for the formation of these polytypes, increasing the spiral?s activation and interactions, but also the spiral-crystal and crystal-crystal interactions.

Les pegmatites à éléments rares de type LCT sont depuis longtemps étudiées et exploitées pour leurs gemmes et les métaux rares qu’elles contiennent. Malgré de nombreuses études réalisées sur les processus d’enrichissement en éléments rares, ou les mécanismes à l’origine de leurs textures, très peu d’études ont été dédiées aux mécanismes de mise en place des pegmatites et à leur répartition spatiale à l’échelle du champ. Afin de déterminer les mécanismes moteurs à l’origine de l’ascension de ces magmas, une étude multidisciplinaire a été menée sur 3 champs de pegmatites à éléments rares, répartis à l’échelle de la chaîne Varisque. Les résultats démontrent la proximité entre la localisation des pegmatites minéralisées et l’intensité de la déformation encaissante. De plus, la mise en place de ces magmas semble facilitée par un certain mode de fracturation. La modélisation numérique de la mise en place des magmas dans ces zones crustales fragilisées indique que l’ascension est facilitée par leurs faibles viscosité et densité, mais aussi par des perméabilités crustales très élevées (> 10⁻¹² m²), à des profondeurs de l’ordre de 10 km. Enfin, d’après les signatures isotopiques du Li mesurées sur des micas pegmatitiques, le lithium ne fractionne pas depuis le granite voisin, jusqu’aux pegmatites les plus différenciées, puisque les valeurs δ⁷Li (‰) sont toutes comprises dans une gamme de - 2 à + 2 ‰, similaire à celle rencontrée dans les granites orogéniques. Nous suggérons donc que la genèse des magmas pegmatitiques est commune à celle des granites hyperalumineux. Les mécanismes de fracturation et d’attraction (« magma-pumping ») sont envisagés pour avoir favorisé l’ascension de ces magmas résiduels, enrichis en éléments rares, de faibles volumes, au cours de transitions brutales et de courtes durées (~ 10³ ans), de la perméabilité. L’ensemble de ces résultats permet de remettre en question le modèle du granite parent classiquement utilisé pour la prospection de ces gisements, et de proposer un modèle revisité couplant la genèse et la mise en place de ces magmas. / LCT-type rare-element pegmatites have long been studied and exploited for their gems and rare metals they contain. Despite many studies about the rare-element enrichment, or about the mechanisms leading their exotic textures, very few studies have been dedicated to the mechanisms controlling their emplacement and their spatial distribution at the scale of the pegmatite field. To better investigate the origin of ascent-driving mechanisms of these magmas, a multidisciplinary study was conducted on 3 rare-element pegmatite fields across the Variscan belt. The results demonstrate the spatial proximity of the rare-metals-rich pegmatites with the intensity of deformation of the hosting rocks. In addition, spatial statistical analyses suggest that the emplacement of such magmas has been facilitated by fracture-controlled model. According to numerical models, the rise of these pegmatite-forming melts along weakened crustal zones would be facilitated by their peculiar physico-chemical properties (low viscosity and density), but also by very high crustal permeability (> 10⁻¹² m²) at depths around 10 km. Finally, accordingly to Li isotope signatures measured on pegmatitic micas, lithium does not fractionate from neighbouring granite up to the more differentiated pegmatites, since all δ⁷Li (‰) fall within a range of - 2 to + 2 ‰, as for orogenic granites. Therefore, we suggest that the genesis these pegmatite-forming melts is common to that of peraluminous granites. Mechanisms of fracturation and magma-pumping may have favoured the rise of these low volumes of residual melts, enriched in rare-elements, during short periods (~ 10³ yrs) of strong permeability increase. These results question the granitic model commonly used for the exploration of this type of mineral deposits. We suggest a revisited model accounting for both genesis and emplacement controlling mechanisms of the pegmatite-forming melts.

Des liquides ultracalciques primitifs (riches en CaO, pauvres en Al2O3) ont été observés dans la plupart des contextes géodynamiques. Les liquides ultracalciques à néphéline normative (uniquement observés dans les arcs) et les liquides ultracalciques à hypersthène normatif (associés à des basaltes tholeiitiques) ne présentent pas de "signature du grenat" et sont donc générés à P < 3 GPa. Les teneurs élevées en CaO jusqu'à 19,0 %) et les rapports CaO/Al2O3 élevés (jusqu'à 1,8) ne peuvent pas être obtenus par fusion de lherzolites fertiles. L'étude des relations de phases au liquidus de deux liquides ultracalciques (à néphéline et à hypersthène normatifs) montre qu'ils sont en équilibre avec olivine et clinopyroxène pour des conditions P/T très différentes. La comparaison de nos résultats et d'expériences de fusion publiées indique que les liquides à hypersthène normatif proviennent de la fusion d'une source réfractaire à olivine+clinopyroxène±orthopyroxène (lherzolite réfractaire ou cumulat wehrlitique) dans le manteau supérieur. Leur présence traduit des températures très élevées (~1400 °C). Les liquides ultracalciques à néphéline normative résultent de la fusion de wehrlites crustales pour des températures plus basses (1200 °C). Des expériences de fusion de wehrlites à amphibole (fréquemment observées en base de croûte d'arc) montrent que la composition des liquides est contrôlée par la déstabilisation de l'amphibole ; ils sont à néphéline normative et deviennent ultracalciques par augmentation du taux de fusion. Ces liquides sont très similaires aux liquides ultracalciques à néphéline normative naturels, qui sont probablement produits selon la réaction amphibole+clinopyroxène = liquide+olivine. La présence d'amphibole permet d'expliquer les teneurs élevées en alcalins et faibles en silice et les faibles températures de fusion. Ces liquides sont des témoins des interactions entre les basaltes magnésiens d'arc et les cumulats crustaux à amphibole.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à mieux comprendre les processus de dégazage magmatique et les dynamismes éruptifs associés, à travers l'étude des roches totales et surtout celle, systématique, des inclusions vitreuses piégées par les olivines des produits explosifs de l'Etna. L'étude a porté plus particulièrement sur les basaltes et trachybasaltes émis lors des éruptions de flanc de 2001 et de 2002-2003, indépendantes des conduits centraux, et lors de trois épisodes de fontaines de lave au cratère Sud-Est, en 2000.<br />Nous avons constitué une base de données complète sur les éléments majeurs et les constituants volatils dissous (H2O, CO2, S, Cl et F) dans les magmas de l'Etna. Nous apportons des données nouvelles sur l'abondance en éléments volatils dissous (4%, dont une teneur en eau ~3,4%) dans le magma basaltique le plus primitif émis à l'Etna depuis 240 ans, et terme parental des trachybasaltes qui alimentent les éruptions actuelles du volcan. Nous proposons que l'évolution géochimique des magmas étnéens depuis 30 ans, résulte d'un mélange entre ce nouveau magma potassique et un terme trachybasaltique, mis en place dans les conduits avant les années 1970. L'analyse isotopique de l'eau et du soufre dissous dans les inclusions les plus primitives (delta(D) entre -120 et -90; ‰ ; delta(34S) = +2,4±0,4 ‰) conforte l'idée d'une source mantellique, de type OIB, peu affectée par la subduction ionienne toute proche, à l'encontre de certaines hypothèses préalablement formulées.<br />La détermination du CO2 et de l'eau dans les inclusions nous a permis (i) de contraindre les pressions de piégeage des liquides et d'exsolution du soufre, du chlore et du fluor, (ii) d'évaluer les profondeurs de transfert et de stockage du magma, (iii) de proposer un modèle d'évolution des rapports S/Cl et Cl/F dans la phase gazeuse dissoute et exsolvée en fonction de la pression, dans le cas des éruptions latérales et sommitales, et (iv) d'individualiser le rôle du globule de sulfure présent dans les magmas résidant superficiellement dans les conduits centraux.<br /> Nous proposons ainsi que les éruptions de flanc en 2001 et 2002 résultent de la remontée et du dégazage, en système fermé, du magma basaltique à trachybasaltique, coexistant avec une phase gazeuse déjà exsolvée. Le magma le plus primitif, remonte d'une profondeur >10 km (sous le niveau de la mer), et est extrudé lors des fontaines de laves. Le plus gros volume de laves produit dérive du transfert du magma trachybasaltique, légèrement plus différencié et stocké à 5±1 km. Lors de son stockage temporaire, ce magma s'appauvrit en eau, en se rééquilibrant avec une phase gazeuse riche en CO2, d'origine profonde. La déshydratation partielle d'un magma, stocké dans les conduits, en relation avec un flux de gaz persistant, riche en CO2, est probablement un processus fréquent à l'Etna et dans d'autres volcans basaltiques. <br />L'évolution modélisée des rapports S/Cl et Cl/F dans la phase gazeuse confirme un dégazage dominant en système fermé en 2001 et 2002. Les valeurs calculées des rapports molaires S/Cl des gaz à la surface de 5,4 à 3,7 et Cl/F de ~2, dépendent de la cinétique de dégazage syn-éruptif du chlore, et sont en parfait accord avec les mesures in situ effectuées par télédétection, au cours de la même période éruptive. Toute ségrégation de bulles de gaz en profondeur se traduit par des rapports S/Cl plus élevés dans la phase gazeuse. Ceci est également vérifié par la modélisation en système fermé du dégazage du magma stagnant superficiellement dans les conduits centraux et saturé vis-à-vis du globule de sulfure. La modélisation en pression de l'évolution de ce rapport permet donc de contraindre les profondeurs d'accumulation et de transfert différentiel des bulles. La valeur des rapports S/Cl et Cl/F dans les gaz ainsi que la nature des produits solides associés apportent de fortes contraintes sur les mécanismes à l'origine des fontaines de laves.<br />Enfin, l'activité de dégazage persistant aux cratères, impliquant une convection efficace dans les conduits, suggèrerait la remontée de magma riche en éléments volatils jusqu'à de faibles profondeurs (≤ 1 km sous les cratères), et le recyclage du magma dégazé, afin d'alimenter les flux gazeux excédentaires.<br />Notre modélisation offre ainsi un cadre général d'interprétation de la composition des émissions gazeuses, et contribue à une meilleure compréhension des processus de dégazage des magmas basaltiques, riches en éléments volatils, à l'Etna.

Le comportement rhéologique de suspensions magmatiques synthétiques hydratées a été expérimentalement étudié en déformation coaxiale et en torsion à haute température et haute pression à l'aide d'une presse de type Paterson. Les résultats obtenus illustrent l'influence de la fraction cristalline et de la forme des cristaux sur la rhéologie et le développement des Orientations Préférentielles de Forme (OPF) des particules au sein des suspensions magmatiques. La formation d'une charpente cristalline, associée à une forte hausse de la viscosité, intervient pour des fractions solides comprises entre fs = 0,20 et 0,38 en relation avec le développement de fabriques de type pénétratif. En augmentant la fraction solide (fs = 0,50), le développement d'une fabrique pénétrative, couplé à des bandes de cisaillement bordées de gradients de déformation, engendre un adoucissement de la réponse rhéologique et une hausse moins importante de la viscosité. Pour fs = 0,58, des bandes de cisaillement de type cassant sans gradient de déformation, recoupant une suspension non déformée, apparaissent et contrôlent le fort adoucissement de la réponse rhéologique. La viscosité de la suspension n'augmente plus alors que légèrement. Au-delà de cette fraction cristalline, les suspensions étudiées montrent une forte réduction de la taille et du rapport de forme des cristaux se traduisant par une stabilisation de la réponse rhéologique en fonction de la déformation. Aucune OPF n'a pu être déterminée et une quasistabilisation de la viscosité est observée (comportement mécanique de solide). Toutes les suspensions étudiées se caractérisent par un comportement rhéologique non-Newtonien de type rhéofluidifiant. La dépendance entre le comportement rhéologique des suspensions magmatiques et le développement des microstructures doit être intégrée dans la modélisation de la mécanique des suspensions magmatiques.

This study is an effort to characterize the magma sources, plumbing system, and eruptive behavior of Mount Hood, a low-explosivity recharge-dominated volcano in the Oregon Cascades. The three manuscripts in this dissertation make use of melt inclusion data, phenocryst compositions, and whole rock petrology and geochemistry to build a schematic model of plumbing, mixing, and eruption at Mount Hood. Volatile contents in melt inclusions were measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Secondary Ion Mass Spectometry (SIMS). These measurements indicate that the pre-eruptive volatile contents at Mount Hood are comparable to concentrations in more explosive volcanoes, and do not sufficiently explain the low explosivity of Mount Hood. Measured H₂O contents were also used to test the validity of multiple different hygrometers. Various geothermobarometers were applied to the melt inclusions and phenocrysts from Mount Hood, and demonstrate that pre-eruptive temperatures increase by 100-150 ̊C immediately after mafic recharge, which occurs days to weeks prior to eruption and is accompanied by a 5-10 fold decrease in magma viscosity. Numerical simulations of magma ascent indicate that magma fragmentation is significantly delayed with this magnitude of pre-eruptive heating, which reduces the likelihood of explosive eruption. Analyses of amphibole demonstrate two markedly different populations, which correspond to different magma compositions, temperatures, and pressures. Pressure and temperature calculations were compared to other geothermobarometers to crosscheck the validity of these results and generally agreed well. Trace element concentrations in lavas, enclaves, and inclusions from Mount Hood confirm previous models for simple binary mixing at Mount Hood. A linear regression technique for extrapolating the major element contents of the mixing endmembers works acceptably well to characterize the trace element budgets of these endmembers. Additionally, we observe that the "recharge filter" that is responsible for the compositionally monotonous lavas at Mount Hood is also the likely cause of long-term low explosivity, and is indicative of a two-part magma plumbing system that may be a general model for a number of other recharge-dominated arc volcanoes. The results presented in this dissertation, in concert with previous results by other authors, converge on a generally consistent model for the production, hybridization, and eruption of intermediate lavas at Mount Hood and elsewhere. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 16, 2011 - March 16, 2012

Volatile heavy metals are liberated from magmas during eruptive and passively degassing volcanic activity. Volcanic emanations have been estimated to contribute 20-40% of volatile elements such as Bi, Pb, As or Sb, and up to 40-50 % of Cd and Hg annually (Nriagu, 1989). Some workers, however, believe these ranges are too high (Hinkley, 1999) or too low (Zreda-Gostynska and Kyle, 1997) leading to considerable differences in global inventory budgets of these metals and the degree to which they load the atmosphere. The objective of this work is to investigate the behavior of volatile heavy metals such as Au, Tl, As, Pb etc. in subaerially erupted magmas and experimentally in silicate melts. Analysis of natural pumice samples confirm the futile, sporadic nature of Hg and associated heavy metals, suggesting these metals are fully degassed prior to deposition. Diffusion experiments were conducted in natural basalt, dacite and synthetic rhyolite (Ab-Or-Qz minimum eutectic) over a range of temperatures (1200 – 1430 °C) at 0.1 MPa. Starting compositions were doped with a heavy metal cocktail (Bi, Pb, Tl, Au, Re, Sb, Sn, Cd, Mo, As, Cu) and loaded into open top Pt capsules. One set of experiments examined the effect of melt composition (polymerization) on element diffusion, and the second investigated the effects of ligands on diffusion by adding known concentrations of Cl and S. During experiments of varying duration, concentration gradients arose in the volatile trace metals due to their varying volatility, as measured (normal to the melt/gas interface) by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) in quenched glasses. Diffusion profiles followed an Arrhenius relationship from which diffusion coefficients (D) and activation energies (Ea) were obtained for Au, Tl, As, Cd, Re, Pb and Bi (in decreasing order of volatility). Results show Au and Tl are the most volatile in dacite and rhyolite yielding LogDDac Au = -10.7 ± 0.1 m2/s and LogDDac Tl = -10.9 ± 0.1 m2/s in dacite, and LogDRhy Au = -10.9 ± 0.1 m2/s and LogDRhy Tl = -11.3 ± 0.3 m2/s in rhyolite respectively. The D for Au could not be measured in basalt but Tl was the fastest diffusing species LogDBas Tl = -10.8 ± 0.2 m2/s. Ligands Cl and S were shown to increase the volatilities of all metals, with S having a more profound effect. Diffusivities were applied to a simple 1D bubble growth model (Smith 1955). Model results indicate diffusion coefficients play a major role in metal fractionation processes occurring at depths that ultimately dictate what metal ratios are measured at the surface of volcanoes.