La première partie de cette étude concerne la distribution de Nb et Ta à l'échelle microscopique dans les roches mantelliques. On a mesuré à la microsonde électronique leurs concentrations dans des microphases titanifères (rutile), afin d'étudier le rôle de ces phases dans le fractionnement des deux éléments.<br />La seconde partie concerne la distribution de Nb et Ta dans les différentes enveloppes terrestres. A partir d'analyses en roche totale par ICP-MS, on a étudié les variations des rapports Nb/Ta, Nb/Th et Ta/La dans les grands réservoirs géochimiques représentant la Terre Silicatée. La plupart ont un rapport Nb/Ta moyen infrachondritique (< 17,5). Seule la couche lithosphérique située à l'interface croûte-manteau se distingue par des rapports Nb/Ta suprachondritiques, attribués à la migration de faibles fractions de liquides enrichis en volatiles. Cependant, cette couche, peu épaisse et faiblement concentrée en Nb et Ta, ne peut contrebalancer les valeurs infrachondritiques des autres réservoirs.<br />Trois raisons nous conduisent à réfuter l'hypothèse d'un réservoir à Nb/Ta élevé « caché » dans le manteau convectif et alimenté par les zones de subduction, proposée pour contrebalancer ces valeurs infrachondritiques: (1) la valeur moyenne de Nb/Ta dans les arcs n'est pas significativement inférieure à celle des basaltes océaniques, (2) les valeurs faibles de Nb/Ta dans la croûte continentale ne sont pas un héritage de la subduction mais l'aboutissement de la différenciation intracrustale et (3) l'étude des basaltes océaniques n'a pas révélé de composant mantellique à Nb/Ta élevé dans leur source.<br />Finalement, l'inversion des données de Nb, Ta, Th et La à l'échelle de la planète montre qu'une incorporation de Nb dans le noyau peut expliquer le rapport infrachondritique de la Terre Silicatée. Les résultats fournissent une estimation du coefficient de partage de Nb entre noyau et manteau primitif de 0,25 ± 0.08, en accord avec les données expérimentales récentes.

La chaîne hercynienne française résulte de la collision continentale entre le Gondwana au Sud et la Laurussia au Nord. Le Massif Central constitue un fragment méridional de la chaîne dans lequel l'agencement structural indique un développement polycyclique. La lithologie est composée de micaschistes de l'Unité Para-autochtone, de Gneiss para et orthodérivés de l'Unité Inférieure, des Gneiss de l'Unité Supérieure et l'Unité de Thiviers-Payzac composée de métagrauwacke, de rhyolites et de quartzite. La chaîne comporte des migmatites et des granitoïdes qui ont été datés par la méthode de datation ponctuelle de monazite à la sonde électronique pour situer l'anatexie dans son contexte dynamique. Le caractère ponctuel des datations (point de ~2 µm de diamètre) permet de mettre en évidence plusieurs événements enregistrés sur un grain unique et éviter les problèmes de mélange rencontrés avec d'autres méthodes de datation. Trois événements thermiques sont identifiés : un évènement entre 385 et 375 Ma, un autre autour de 330 et 325 Ma et un dernier vers 310 et 290 Ma. Ils sont contrôlés par l'épaississement et le des-épaississement crustal et des injections asthénosphériques.

Ce travail est une contribution à la compréhension des processus d'altération de matériaux cimentaires par des eaux de pluie et des eaux sulfatées. Il est le fruit d'une collaboration entre géochimistes et cimentiers, les bétons pouvant être considérés comme des roches. Pour les eaux de pluie, les conditions envisagées en laboratoire ont été l'altération par de l'eau sous atmosphère inerte, sous atmosphère carbonatée et de l'eau acidifiée à pH égal à 4. Les échantillons testés ont été des pâtes, des mortiers et un béton à ultra hautes performances. Concernant les eaux sulfatées, des échantillons de mortier à base de ciment Portland ordinaire et de ciment Portland résistant aux sulfates ont été immergés dans une solution de Na₂SO₄ dissous. Les zonations chimiques et minéralogiques survenues dans les échantillons altérés ont été étudiées par microscopie électronique à balayage, diffraction aux rayons X et microsonde électronique. Pour comprendre l'origine des modifications survenues dans les échantillons près expérience, nous avons adopté une approche thermodynamique à l'équilibre. Le système chimique exploré a été le système CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-CO₂-H₂O à 25°C sous une atmosphère. D'après nos résultats expérimentaux, les constituants CaO, SO₃ et CO₂ se sont comportés comme en système ouvert, et SiO₂ et Al₂O₃ comme en système fermé. Des diagrammes de phases en potentiels chimiques ont été construits avec le logiciel "Zen+K" basé sur la minimisation de l'enthalpie libre de Gibbs. Pour chaque condition d'altération expérimentée, nous proposons un cheminement dans les diagrammes permettant de retrouver les zonations. Ces cheminements sont compatibles avec des modèles existants. De plus, ils montrent l'influence de l'activité de l'eau sur la présence du monosulfoaluminate de calcium. Enfin, ce travail a validé une démarche analytique et thermodynamique applicables à des conditions d'altération plus complexes.

Les roches métamorphiques ou les matériaux industriels voient leur composition minéralogique évoluer lorsqu'ils sont soumis à des déséquilibres thermomécaniques, c'est-à-dire à une évolution spatiale ou temporelle de la pression et de la température, ou des déséquilibres chimiques comme des variations des conditions redox, du pH... Par exemple, à basse température, les roches sous l'influence des processus métamorphiques ne se rééquilibrent que partiellement, sauvegardant ainsi des équilibres thermodynamiques de manière locale et augmentant leurs hétérogénéités chimiques spatiales. La compréhension de tels systèmes en évolution P-T et le déchiffrage des modalités de leur évolution minéralogique impliquent de reconnaître et de caractériser la taille de ces « paléo équilibres » locaux, et donc d'avoir une information chimique spatiale au moins en 2 dimensions. Afin d'obtenir cette information, des images microsondes de fluorescence X ont été utilisées. Pour accroître leur potentiel et les employer à des fins thermobarométriques, des scripts informatiques ont alors été développés sous Matlab. Ils permettent de quantifier ces images semi-quantitatives mais également de les coupler avec la technique thermodynamique des multi-équilibres afin de produire des cartes de P-T de formation des minéraux.<br />Comme le montrent les premières applications réalisées sur deux métapélites provenant de la ceinture schiste bleu de Sambagawa au Japon et de la zone éclogitique préservée de la chaîne Calédonienne au Spitzberg, les cartes chimiques quantitatives sont très riches d'enseignement sur l'histoire métamorphique d'une roche. De ces cartes chimiques ont été dérivées des cartes de P-T-temps-redox-déformation d'échantillons, permettant de caractériser les conditions P-T de formation des minéraux et donc le chemin P-T de l'échantillon, l'état d'oxydation du fer dans la phase chlorite, de souligner la relation entre déformation et cristallisation, de proposer une chronologie relative de cristallisation des minéraux et des déformations. La carte de la teneur en Fe3+ dans les chlorites calculée par la thermodynamique a également été validée grâce à une cartographie µ-XANES au seuil K du fer mesurée à l'ESRF (ID24) avec une méthode innovante.<br />La dernière application concerne une étude expérimentale de matériaux argileux, principaux constituants d'un modèle analogique d'un type de site de stockage de déchets nucléaires. Les images chimiques ont permis de caractériser en 2 dimensions l'évolution minéralogique des argiles vers des pôles riches en fer. Elles ont également été utilisées comme données de base pour la réalisation d'un modèle numérique 2D par éléments finis visant à estimer le coefficient de diffusion du fer dans les argiles à basse température, donnée importante pour modéliser la déstabilisation au cours du temps d'un site de stockage de déchets radioactifs.

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.

Les cristaux de phases supraconductrices de formulation générale, TlmBa2Can-1CunO2n+m+2 (avec m=1, 2 et n=1, 2, 3) ont été préparés par une technique de croissance en flux. Chaque phase a été caractérisée par diffraction X (Weissenberg, Buerger, cristal tournant) et par micro-spectroscopie Raman. L'analyse par microsonde électronique a révélé des déficits cationiques par rapport a la formulation idéale. Une étude par HREM a montré dans la plupart des cristaux l'absence d'intercroissance à l'échelle atomique. La température critique a été mise en évidence par mesures électriques, mesures sous champ magnétique continu et susceptibilite alternative. Le comportement magnétique révèle une très forte anisotropie entre les propriétés supraconductrices dans la direction de l'axe c et dans le plan (a, b) (Hc1(c)/Hc1(a,b)=1000 pour la phase 2212). Les courbes d'effet Meissner et d'effet d'écran révèle que l'aimantation est réversible près de Tc et irréversible a plus basse température. La ligne d'irréversibilite (H*, T*) a été caractérisée pour la phase 2212.

La ségrégation désigne de manière générale des écarts locaux à la concentration nominale d'un soluté dans un solvant. On appelle ségrégation " intergranulaire " le regroupement d'atomes de solutés sur les joints de grains d'un matériau. Ce phénomène est à l'origine de formes d'endommagement bien connues dans les matériaux métalliques. Notre mémoire s'articule en deux parties principales. La première partie concerne le développement de nouvelles méthodes expérimentales pour la quantification de la ségrégation intergranulaire. La spectroscopie d'électrons Auger est la technique expérimentale de prédilection pour l'étude des ségrégations intergranulaires. Elle présente cependant plusieurs inconvénients : préparation d'échantillon difficile, rareté des instruments, aptitude limitée à l'analyse quantitative. Depuis 2006, nous avons développé deux méthodes alternatives à la spectroscopie Auger, que nous présentons en détail. La première technique est fondée sur la spectroscopie de photons X à dispersion de longueur d'onde, qu'on désigne par l'acronyme anglais WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy). Elle peut être mise en œuvre dans un microscope électronique à balayage muni d'un détecteur WDS. La seconde méthode repose sur la spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS : Secondary Ion Mass Spectrometry). Pour clore cette première partie du manuscrit, nous présentons une étude de la ségrégation d'équilibre du soufre aux joints de grains du nickel. Nous y confrontons les résultats de trois méthodes de quantification (Auger, WDS et SIMS), pour souligner leur complémentarité. La deuxième partie du mémoire porte sur la ségrégation hors d'équilibre. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la ségrégation intergranulaire du soufre dans le nickel en cours de déformation plastique à chaud. La ségrégation intergranulaire du soufre au cours de la mise en forme à chaud des alliages de nickel est encore à l'heure actuelle à l'origine d'endommagements importants. En particulier, l'étape de réchauffage des lingots, avant laminage, conduit souvent à de la fissuration intergranulaire en surface et sous-surface. Il s'agit ici de comprendre la cinétique de ségrégation intergranulaire, en relation avec la température et la vitesse de déformation. Les résultats montrent un effet accélérateur fulgurant de la déformation plastique sur la cinétique de ségrégation. On observe de plus, de façon assez inattendue, une quasi-proportionnalité des vitesses de ségrégation et de déformation, et une quasi-indépendance à la température. Nous proposons deux interprétations de ces observations : l'une fondée sur les lacunes de déformation plastique qui accélèrent la diffusion du soluté, l'autre sur les dislocations, qui agissent à la fois comme " collecteurs " de soluté et comme courts-circuits de diffusion. Enfin, nous nous intéressons à l'effet accélérateur des anciens joints de grains austénitiques sur la ségrégation du phosphore à la surface d'un acier martensitique.