L'étude géomorphologique et thermochronologique menée en Patagonie centrale montre l'influence de la subduction de la dorsale du Chili sur la dynamique de surface. Depuis 14 Ma, la migration vers le nord du point triple entre plaques Nazca, Antarctique et Amérique du Sud s'accompagne d'un soulèvement de grande longueur d'onde. Celui-ci affecte les Andes de Patagonie, où les âges (U-Th)/He sur apatite sont plus jeunes au sud du point triple (~7-5 Ma) qu'au nord, mais aussi le bassin à l'est de la chaîne, où les terrasses mises en place depuis le Miocène moyen ont subi des basculements N-S de ~0,1-0,2%. Ces valeurs correspondent à celles prévues par des calculs analytiques de topographie dynamique. Des modèles analogiques du processus de subduction montrent les interactions entre processus profonds et dynamique de surface : nous observons un lien entre changement de pendage du slab et déformation de la plaque supérieure, et étudions les phénomènes liés à l'ouverture d'une fenêtre de slab.

Comparer les zones de subductions les unes aux autres permet d'éclairer les raisons de leur diversité et de remonter aux forces qui gouvernent leur fonctionnement. Pour permettre cette comparaison statistique, une base de données globale originale, SubductionZones, qui décrit l'ensemble des zones de subduction océaniques du globe a été construite à partir de bases de données globales préexistantes. Les observations qui découlent de l'analyse statistique globale des zones de subduction, souvent inédites et infirmant parfois les résultats d'études antérieures, impliquent une réévaluation des modèles de subduction en vigueur. Des trois « acteurs » mis en jeu dans le processus de subduction (i.e., la plaque subduite, la plaque supérieure et le manteau), la plupart des observations mettent en avant l'influence de la plaque supérieure et de la direction de son mouvement sur la dynamique de la subduction. Les caractéristiques de la plaque subduite et de son panneau plongeant, en revanche, si elles semblent contrôler le mouvement des plaques, ont vraisemblablement une influence limitée sur le mouvement des fosses, le régime tectonique de la plaque supérieure et le pendage du slab. L'influence du manteau et des flux qui l'animent a par ailleurs été mise en évidence dans quelques cas, notamment à proximité des bordures de slabs.<br />Les modèles physiques (analytiques, numériques ou analogiques), pour leur part, complètent la vision instantanée du processus de subduction que donne l'approche statistique en offrant un cadre théorique et dynamique à l'interprétation des observations. L'approche analogique nous a ainsi permis de tester les modalités de l'influence du mouvement de la plaque supérieure dans le contrôle du mouvement de la fosse, de la géométrie du panneau plongeant et de la déformation de la plaque supérieure.

Le magmatisme a lieu principalement aux limites des plaques lithosphériques, où la déformation tectonique peut être importante. Afin d'étudier les interactions mécaniques entre la tectonique compressive et le magmatisme, nous avons développé une nouvelle technique expérimentale, dans laquelle un fluide (simulant les magmas) est injecté dans de la poudre de silice (simulant la croûte) en raccourcissement. Une première série d'expériences, dans laquelle la poudre de silice est homogène, montre que la présence de magmas induit la formation de chevauchements arqués et d'un plateau non déformé. Inversement, la déformation favorise la mise en place horizontale des magmas, et contrôle leur mise en place relativement passive dans un espace accommodé par la surrection tectonique du plateau. Dans une seconde série d'expériences, nous avons introduit des hétérogénéités dans la poudre de silice, afin de simuler une stratification. Nous montrons que les hétérogénéités peuvent contrôler la mise en place des magmas à l'interface entre les niveaux de comportements différents. Afin de valider nos résultats expérimentaux, les expériences sont comparées à un exemple naturel, le volcan Tromen en Argentine. Au cours de trois missions sur le terrain, nous avons effectué une étude cartographique, structurale et géochronologique du Tromen. Nous montrons que le contexte tectonique du Tromen pendant sa période d'activité volcanique était compressif. De plus, les résultats obtenus montrent des similitudes entre les structures observées sur le Tromen et celles obtenues dans nos expériences (chevauchements arqués, plateau peu déformé) validant ainsi nos résultats expérimentaux. Enfin, les structures obtenues dans nos expériences montrent également des similitudes avec les structures observées dans les Andes Centrales à l'échelle crustale. Cette comparaison nous permet de proposer un nouveau modèle de formation des hauts plateaux, tels l'Altiplano et le Tibet, qui demeurent de grandes énigmes géologiques.

Les marges passives présentent de nombreux indices de déformations postérieures à l'épisode de subsidence thermique, successif au rifting. Parmi ces déformations, la plus argumentée dans la littérature est la surrection, bien reconnue sur les marges nord-ouest européennes, ouest africaines, sud-ouest brésiliennes et indiennes. Elle est responsable d'une topographie élevée, ainsi que de perturbations importantes des systèmes sédimentaires marins et continentaux (identifiables sur images satellitaires). Des indices d'une tectonique récente en raccourcissement (plissements, failles...) sont également décrits sur ces marges et les données de sismicité, de mouvements de plaques tectoniques (DORIS), et des indications géologiques sont en faveur de contraintes compressives actuelles sur les marges passives péri-atlantiques Les causes suggérées de ces déformations sont diverses. Facteurs climatiques, tectonique régionale, ridge-push, point chaud, etc, sont envisagés dans la littérature. La modélisation nous permet de tester l'influence de certains de ces mécanismes sur la surrection et/ou le style et la localisation de la déformation. Le raccourcissement tectonique et l'influence des point-chauds ont ainsi été testés grâce à la modélisation analogique. Il en découle que les rhéologies des lithosphères océaniques et continentales, et les contrastes de résistance et de densité existant, ont une grande influence sur le style et la localisation des déformations. Un modèle numérique 2D en éléments finis nous permet de connaître l'influence de la thermicité initiale sur la déformation observée après le breakup. Ce modèle démontre notamment qu'une surrection des marges passives peut être induite par leur évolution thermique et que cette surrection est plus importante pour les marges volcaniques que pour les marges non-volcaniques. La rhéologie aura quant à elle une grande influence sur le style et la localisation de la déformation en compression, lorsque la marge est soumise à un raccourcissement horizontal. Il résulte de ces observations et modélisations que la déformation récente des marges passives est liée à des associations différentes de mécanismes selon chaque marge. Cependant certains mécanismes pourraient favoriser ces déformations (ridge-push ou contrainte compressive régionale, points chauds mis en place lors de leur formation ou postérieurement).

Les zones de collision continentale présentent à la fois un champ de déformation en raccourcissement et des anomalies thermiques susceptibles de faire fondre partiellement la croûte. Ainsi, la ségrégation du liquide de fusion de sa source est un processus dynamique que nous avons modélisé de façon analogique en utilisant une cire de paraffine partiellement fondue. L'analogie avec les migmatites est assurée par la structure foliée de la cire, les contrastes de viscosité entre liquide et solide et par le rapport entre les forces dues à la charge lithostatique et les forces nécessaires au raccourcissement horizontal. Le dimensionnement des expériences autorise l'application des résultats à des objets naturels dont les échelles sont comprises entre la dizaine de centimètres et la centaine de mètres. Le raccourcissement horizontal d'environ 30 à 40% de couches horizontales montre que le plissement s'accompagne de l'ouverture de veines parallèles à la foliation permettant la ségrégation du liquide. Alors que celle-ci a lieu par compaction de la matrice à l'échelle microscopique, la migration du liquide fonctionne grâce aux gradients de pression qui naissent des changements de géométrie du réseau macroscopique de veines. Etant lié à une progression continue de la déformation, ces processus s'arrêtent avec la fin du raccourcissement. Les veines se concentrent soit dans les flancs, soit dans les plans axiaux, rendant la distribution du liquide hétérogène. Dans ces zones, la diminution de la résistance localise la déformation et amplifie en conséquence le taux d'extraction. Les structures visibles sur un affleurement de migmatites étudié dans la chaîne hercynienne sont cohérentes avec les résultats expérimentaux. De plus, cet affleurement montre une grande quantité d'enclaves auréolées de leucosomes. Le rôle de l'hétérogénéité mécanique sur le collectage du liquide est mis en évidence et expliqué analogiquement et numériquement par la perturbation locale du champ de pression.

La partie centrale de la dépression Afar (Sud Mer Rouge) est bordée de blocs sans déformation récente (Danakil et d'Aysha). En raison du climat désertique, la morphologie des structures récentes et/ou actives est très bien conservée. Dans le cadre du programme TECTOSCOPE Afar financé par l'INSU/CNRS et pour la partie sud de la dépression, l'analyse détaillée de 8 couples d'images stéréoscopiques SPOT a permis non seulement de cartographier et d'interpréter le champ de failles mais aussi de mesurer le rejet vertical des failles. Cette interprétation a été réalisée d'une part sur des tirages photographiques Vizir réalisés à l'INSU, d'autre part sur station de travail par images "anaglyphes". Il a ainsi été possible de définir la géométrie et la cinématique du champ de déformation finie post-stratoïde (4Ma). Les caractéristiques du champ de failles ont été déterminées en utilisant des critères structuraux (intersection de failles, segmentation de coulées volcaniques, etc ... ) et l'analyse statistique de la distribution spatiale des orientations, rejets, et densités de la fracturation. Deux domaines de déformations (blocs basculés et horst-grabens) sont caractérisés et des zones de transfert entre ces domaines et les zones non déformées accommodent les variations latérales de la déformation. Cette étude met en évidence une direction/ moyenne d'extension N020° dans le centre de la dépression, s'orientant N040° en bordure du bloc danakil. Cette configuration structurale résulte d'une déformation progressive du domaine central de l'Afar et les hétérogénéités du champ de déformations sont interprétables en termes d'effets de bordure le long des blocs non déformés Dankaly et Aysha. Les implications cinématiques en sont déduites et comparées avec des expériences sur modèles réduits fragilesductiles inspirés du modèle de la "Biellette" Danakil (Sichler 1980). La rotation senestre de 10° du bloc Danakil offre une explication cohérente de la geométrie du champ de failles, des rotations dextres des blocs basculés du Sud de la dépression et de l'extension oblique du golfe de Tadjoura.

Actuellement, la prévision de l'évolution d'un système littoral représente un enjeu social important. De nombreuses études sont réalisées afin de mieux connaitre la dynamique côtière et donc de comprendre les facteurs qui influencent son évolution. Cette dynamique est contrôlée par la morphologie, les apports sédimentaires, l'hydrodynamique, l'eustatisme... qui agissent à des échelles de temps différentes et avec de fortes interactions. A l'échelle géologique, l'architecture des dépôts, contrôlée par l'eustatisme et la subsidence, est parfaitement décrite dans les zones à forts apports sédimentaires. Par contre, dans les zones à faibles apports sédimentaires, l'enregistrement des cortèges côtiers est réduit et est difficile à interpréter. L'analyse de 250 kilomètres de profils sismiques THR sur le littoral languedocien (Nord du Golfe du Lion, France), de carottages et de données de terrain a permis de déterminer la géométrie en trois dimensions des cortèges sédimentaires côtiers depuis le Quaternaire jusqu'à l'actuel. Ces observations montrent l'importance de la dynamique longshore sur les littoraux pauvres en apports sédimentaires directs. De plus, l'étude d'un système lagunaire sur ce littoral met en évidence les concepts de lagunes protégées et lagunes isolées ainsi que l'importance des vallées incisées dans la génèse de ces environnements. Enfin, la modélisation en laboratoire des processus d'incision de chenaux sous contrôle eustatique et climatique permet de discuter le rôle des vallées incisées en milieu côtier.

Cette thèse porte sur les effets des niveaux d'argiles et de sables sur les instabilités gravitaires affectant les falaises côtières du Crétacé en Haute-Normandie, le long du littoral de la Manche entre les Caps de la Hève et d'Antifer. L'impact de ces niveaux potentiels de décollements a requit une caractérisation mécanique des lithologies affleurantes. Le comportement de ce trait de côte a alors été analysé aux moyens de la simulation numérique en éléments finis (code ADELI) et de la modélisation expérimentale avec surpression de fluides aux pores. Il ressort que l'instabilité des falaises est caractérisée par un glissement translationnel vers la mer guidé localement par les argiles. Le taux de glissement de la falaise dépend de la position des niveaux d'argiles par rapport à la base de la falaise. Deux formations peuvent guider les déformations : les argiles du Kimméridgien situées en base de falaise et les argiles du Gault de l'Albien situées à une hauteur variable en front de falaise. Le niveau d'argiles du Gault joue un rôle de niveau de découplage mécanique. Au dessus du Gault, les déformations gravitaires affectant la craie du Cénomanien se caractérisent par un réseau de failles normales dont la propagation dans les terres varie en fonction de la position verticale du niveau d'argile en front de falaise. En dessous, la basse falaise constituée des argiles du Kimméridgien et de l'Albien ainsi que des sables Aptien est extrudée avec une amplitude accentuée par l'élévation des niveaux d'argiles. Le long du trait de côte entre les Caps de la Hève et d'Antifer, les niveaux d'argiles sont progressivement enfouis sous la plateforme littorale en progressant vers le Nord, du fait d'un pendage stratigraphique de 0,7° NE. Il en résulte une évolution différentielle du trait de côte avec des vitesses de glissement plus importantes au sud, où l'argile du Gault est haute dans la falaise, qu'au nord, où l'argile du Gault est à proximité de la plateforme littorale. Cette évolution différentielle a produit une réorientation du trait de côte vers l'est. Cette hypothèse est renforcée par les donnés bathymétriques mettant en évidence une géométrie en éventail entre le cap de la Hève et le cap d'Antifer. L'érosion de ce secteur côtier apparaît comme étant essentiellement guidée par le type lithologique et la structuration géologique de la falaise, qui conditionnent les vitesses de mouvements sous le seul effet de la gravité.

Les marges conjuguées de l'Atlantique Sud sont le produit du rifting et de la rupture du continent Pangée. Ce continent présente une hétérogénéité crustale et lithosphérique importante, dont la prise en compte est un objectif de la thèse. Afin de comprendre la rupture continentale à l'échelle lithosphérique de systèmes de rhéologies préexistantes très différentes, nous avons effectué des modélisations, analogique et numérique. Les modèles analogiques s'attachent à montrer l'effet des forces externes sur un tel système hétérogène tandis que les modèles numériques, thermomécaniques, se concentrent sur l'impact des anomalies de fusion du manteau sur le rifting avec une telle configuration.Avec la modélisation analogique, l'effet des forces aux limites sur un système composé de deux segments de rhéologies différentes a été testé à l’échelle de la lithosphère pour comprendre l'influence de l'hétérogénéité rhéologique dans un système en extension. Les résultats montrent que dans un système combiné, toute l'extension se produit dans le segment faible et que le contact entre les deux segments ne joue pratiquement aucun rôle dans l'initiation des failles. Lorsque le segment le plus faible contient une couche résistante dans le manteau supérieur, le rift évolue en deux phases. La première phase montre un système de failles larges où la déformation est distribuée. Une fois que la partie résistante du manteau supérieur est suffisamment affaiblie, l'extension se localise le long d'une zone de faille étroite. Si l'extension continuait, la rupture se produirait à cet emplacement, dans une partie plutôt homogène alors que le système est latéralement hétérogène. Le résultat de ce système extensif serait des marges asymétriques avec une croûte faible/hyper-étirée sur deux marges.Les résultats numériques montrent que, dans le cas de la rupture continentale induite par un panache, le mode de rupture «central», où la rupture se localise au-dessus du point de l'impact du panache, est une forme de rupture continentale parmi d'autres. Ainsi, lorsque l'anomalie de fusion du manteau est localisée de manière décalée par rapport au contact entre les segments rhéologiques, un mode de rupture "décalé" peut se développer. Dans ce cas, le matériel du panache atteint la base de la lithosphère et s’écoule latéralement jusqu’au contact entre les deux segments rhéologiques où le rifting se localise in fine. La partie du matériel qui n’arrive pas au centre de la zone de rupture, se situe au niveau de la croûte inférieure ou bien plus profond, ressemblant aux corps de densité/vitesse élevées imagés le long des marges de l'Atlantique Sud. De plus, le mode «décalé» reproduit l'asymétrie des marges conjuguées... / The South Atlantic conjugate margins are the product of continental rifting and break-up of Pangea, which was made up of different crustal features prior to rifting. This study investigates continental rift initiation and break-up of alternative lithospheric setups, consisting of large segments with different rheological strength, with the use of analogue and numerical modelling. The analogue models investigate the effect of far-field forces on a system that consist of multiple rheological segments, whereas the numerical models include thermal processes and focus on the impact of initial plume emplacement on such a setup.Lithosphere-scale analogue models consisting of two different rheological compartments have been subjected to extensional forces, to understand effect of far-field forces on large rheological heterogeneities in a system within an extensional tectonic regime. The results show that in such a system, the weaker segment accommodates all the extension. At the contact between the two compartments no rift-initiation is observed. In the presence of a strong sub-Moho mantle, the rift evolution consists of two phases. The first phase is a wide or distributed rift event. Once the strong part of the upper mantle has sufficiently weakened, the rift localizes and a narrow rift continues to accommodate the extension. If extension would continue, break-up would happen at the location of the narrow rift, thereby breaking a rather homogenous part within a laterally heterogeneous system. This would result in asymmetric margins with hyperextended, weak crust on both margins.The numerical results show that, in the case of plume-induced continental break-up, the classical ‘central’ mode of break-up, where the break-up centre develops above the plume-impingement point is not the only form of continental break-up. When the mantle anomaly is located off-set from the contact between rheological segments, a ‘shifted’ mode of break-up may develop. In this case, the mantle plume material rises to the base of the lithosphere and migrates laterally to the contact between two rheological segments where rifting initiates. Mantle material that does not reach the spreading centre and remains at lower crustal depths, resemble high density/high velocity bodies at depth found along the South Atlantic margin and providing geometric asymmetry.Further investigation on the exact influence of the initial plume position with respect to the contact between the rheological compartments shows that there is a critical distance for which the system develops either ‘central’ (or ‘plume-induced’) continental break-up or ‘shifted’ (or ‘structural inherited’) continental break-up. For Moho temperatures of 500 – 600 oC, there is a window of ~50 km where the system creates two break-up branches. These results explain complex rift systems with both vertical penetration of plume material into the overlying lithosphere as well as reactivated inherited structures developing break-up systems both aided by the same mantle plume...

Le propre d'une structure géologique superficielle est d'être accessible à l'observation directe, par opposition à une structure profonde. Dans bien des cas, ce sont les structures profondes inaccessibles au géologue qui guident les structures superficielles. Afin de remédier à cette lacune d'observation le géologue imagine alors d'innombrables statragèmes ou techniques visant tous à la connaissance, la moins imparfaite possible, des structures profondes et de leurs relations avec la géologie superficielle. Ce travail s'inscrit dans une telle démarche. Notre point de départ était quelque peu abstrait : la mise en évidence de gradients de déformation horizontaux et verticaux dans une zone plissée ; autrement dit l'étude de plis dont les caractéristiques étaient susceptibles de varier horizontalement et verticalement. Très certainement, de nombreux exemples se prêtent à ce genre d'étude, celui du cisaillement vertical d'une couverture sédimentaire sur un décrochement de son socle nous a semblé pouvoir être un cas assez simple et significatif dans ce domaine, nous l'avons donc retenu. On envisage donc deux blocs de socle, plus ou moins rigides et indéformables qui coulissent l'un par rapport à l'autre horizontalement et qui induisent ainsi, dans la couverture sédimentaire qui les surmonte, des plissements : "les terrains superficiels ne faisant que s'adapter à la déformation des parties profondes de l'écorce, sur lesquelles ils reposent" (J. GOGUEL, 1943, p. 363). On espère ainsi observer un gradient horizontal de plissement en allant du décrochement vers les limites latérales de la zone affectée par le cisaillement induit et un gradient vertical lié au fait que la couche inférieure de la série suivra plus intimement les mouvements du socle que la couche supérieure. Afin de disposer de conditions d'observation convenables, nous avons choisi de modéliser une telle zone de décrochement. Le type de modélisation retenu n'a pas été numérique mais analogique car elle permet d'étudier aisément de grandes déformations.