Nous construisons un modèle dépendant du temps, en géométrie tridimensionnelle sphérique, de la convection dans un manteau compressible et dissipatif qui est compatible avec la dynamique de l'écoulement mantellique instantané basé sur la tomographie sismique. Nous réalisons cet objectif à l'aide d'une méthode numérique pseudo-spectrale actualisée et révisée. En résolvant le problème direct de la convection thermique dans le manteau, nous obtenons une gamme réaliste de flux de chaleur à la surface de la Terre, variant de 37 TW pour une surface rigide à 44 TW pour une surface avec plaques tectoniques couplés à l'écoulement mantellique. De plus, nos modèles de convection prédisent des flux de chaleur à la frontière noyau-manteau (CMB) qui se trouvent à la limite supérieure des valeurs estimées précédemment, à savoir 13 TW et 20 TW, pour la surface rigide et la surface avec plaques, respectivement. Les deux conditions aux limites de surface, ainsi que les profils radiaux de viscosité inférés de la géodynamique, donnent des flux convectifs en état d'équilibre qui sont dominés par de longues longueurs d'onde tout à travers la partie inférieure du manteau. À savoir la condition de surface rigide donne un spectre d'hétérogénéité mantellique dominé par le degré 4 à 1 intérieur des couches limites thermiques (TBL), et la condition de surface avec plaques donne comme résultat un spectre dominé par le degré 1. Nous démontrons que la structure initiale thermique est fortement imprimée sur l'évolution future du manteau, et aussi que la mesure dans laquelle l'hétérogénéité initiale du manteau détermine la distribution de la température finale dépend de la condition à la limite de la surface. Notre exploration de la dépendance temporelle de l'hétérogénéité spatiale indique que, pour ces deux types de condition aux limites à la surface, les remontées de matière chaude provenant du manteau profond qui sont résolues dans le modèle tomographique sont des caractéristiques durables et stables de la convection dans le manteau terrestre. Ces panaches chauds profondément enracinées dans le manteau profond démontrent une longévité remarquable au cours de très longues des intervalles de temps géologiques. Cette stabilité des panaches profonds est principalement due à la forte viscosité dans le manteau inférieur inférée avec les données géodynamiques. Nous proposons également que les panaches mantelliques profondes sous les points chauds («hotspots») suivants : Pitcairn, Pâques, Galápagos, Crozet, Kerguelen, Caroline, et le Cap-Vert, sont les mieux résolus par l'imagerie tomographique du manteau à grand échelle. Afin de résoudre et évaluer la robustesse du problème inverse de la convection mantellique, nous considérons et comparons deux différentes techniques numériques actuellement utilisées dans la modélisation de la convection vers le passé : les méthodes de la quasi-réversibilité (QRV) et de l'advection vers l'arrière (BAD), sur un intervalle de temps de plus de 65 millions d'années. Nous définissons une nouvelle formulation du paramètre de régularisation pour la méthode QRV en terme d'une fonction dépendant du temps et nous quantifions la gamme des incertitudes suivantes, [7 à 29]% [11 à 37]% [8 à 33]%, et [6 à 9]% pour les champs de la divergence des plaques, les anomalies de gravité à l'air libre, la topographie dynamique de la surface, et la topographie de la CMB, respectivement. Les implications dominantes pour le problème inverse de la convection mantellique sont à la fois le choix d'un géotherme et le type de condition limite à la surface. Toutefois, l'impact critique sur la reconstruction de l'évolution thermique du manteau provient de l'intégration entre les hétérogénéités du manteau (structures décrites par degrés harmoniques l ≥ 1) et un géotherme «réaliste» (structure décrite par le degré harmonique l = 0), à l'intérieur des couches limites thermiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Flux de chaleur, tomographie sismique, tectonique planétaire, courants de convection, panaches mantelliques, points chauds, rhéologie du manteau, méthodes d'inversion, Cénozoïque.

On propose traditionnellement que les panaches mantelliques jouent un rôle important dans l'amincissement de la lithosphère. Des données sismologiques sous Hawaïi et Cape Verde suggèrent une limite lithosphère-asthénosphère (LAB) jusqu'à 50 km plus superficielle qu'autour. Des modèles numériques ont montré, en effet, qu'une convection à petite échelle (SSC, pour small-scale convection) dans la couche à faible viscosité formée à la base de la lithosphère par l'accumulation de la matière des panaches peut être un mécanisme efficace d'érosion du manteau lithosphérique. Cependant, ces modèles montrent que, si la plaque se déplace, l'érosion thermo-mécanique de la lithosphère ne dépasse pas 30 km. Afin de mieux étudier les interactions panache/lithosphère, et d'ainsi caractériser les paramètres contrôlant cette érosion, nous avons effectué des simulations numériques en 2D qui utilisent un modèle pétro-thermomécanique basé sur des approches en différences finies associées à des marqueurs actifs. Nous avons focalisé sur : (1) la dynamique de la SSC dans la couche à faible viscosité formée par étalement du panache à la base de la lithosphère et (2) l'effet de la fusion partielle sur cette dynamique. La plaque lithosphérique et le manteau sous-jacent sont caractérisés par une composition péridotitique homogène à viscosité newtonienne dépendante de la température et de la pression. Une vitesse constante, comprise entre 5 et 12,5 cm/an, est imposée au sommet de la plaque. Les panaches sont créés en imposant une anomalie thermique de 150 à 350 K en base du modèle (700 km de profondeur). La fusion partielle est calculée à partir d'un paramétrization des solidus et liquidus pour la fusion anhydre des péridotites. Nous modélisons la déplétion de la péridotite et son effet sur la fusion partielle en supposant que le degré de fusion ne peut qu'augmenter au cours du temps. Le liquide est accumulé jusqu'à un seuil et la masse fondue en excès est extraite instantanément. La rhéologie de la péridotite partiellement fondue est déterminée utilisant une constitutive relation basée sur un modèle de contiguïté, qui permet de prendre en compte les effets de la distribution de matière liquide à l'échelle de grain. La densité varie en fonction du degré de fusion partielle et de la déplétion du résidu solide. Nous analysons la cinématique du panache lors de son interaction avec une plaque mobile, la dynamique de la convection à petite-échelle (SSC) et le rajeunissement thermique de la lithosphère qui en résulte. Le temps de démarrage et la vigueur de la SSC et, par conséquent, le nouvel état d'équilibre thermique de la lithosphère à l'aplomb du panache dépendent du nombre de Rayleigh (Ra) dans la couche instable à la base de la lithosphère, qui est contrôlé par l'anomalie de température et la rhéologie dans cette couche. Pour des panaches chauds et vigoureux, le démarrage de la SSC ne dépend pas de la vitesse de la plaque. Pour des panaches plus faibles, le temps de démarrage diminue avec l'augmentation de la vitesse de la plaque. Ce comportement est expliqué par une différence dans la structure thermique de la lithosphère, due à des échanges diffusifs à la base lithosphère plus efficaces pour des panaches lents. La diminution de la viscosité associée à la présence de magma et la diminution de la densité du résidu solide accélèrent le démarrage et accroissent la vigueur de la SSC, entraînant une érosion plus efficace et plus proche du point d'impact de panache sous la lithosphère. / Mantle plumes are traditionally proposed to play an important role in thinning the lithosphere. Seismic images beneath Hawaii and Cape Verde, for instance, show a lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) up to 50 km shallower than the surroundings. However, previous numerical modeling of plume-lithosphere interaction implies that unless the plate is stationary the thermo-mechanical erosion of the lithosphere does not exceed 30 km. We used 2D petrological-thermo-mechanical numerical models based on a finite-difference method on a staggered grid and marker in cell method to further study the plume-lithosphere interaction. We focused on: (1) analyzing the dynamics of the small-scale convection (SSC) in the plume wake as a function of the plume vigor and plate velocity and (2) quantifying the effect of partial melting on this SSC. A homogeneous peridotite composition with a Newtonian temperature- and pressure-dependent viscosity is used to simulate both the plate and the convective mantle. A constant velocity, ranging from 5 to 12.5 cm/yr, is imposed at the top of the plate. Plumes are created by imposing a thermal anomaly of 150 to 350 K on a 50 km wide domain at the base of the model (700 km depth); the plate right above the thermal anomaly is 40 Myr old. Partial melting is modeled using the batch-melting solidus and liquidus in anhydrous conditions. We model the progressive depletion of peridotite and its effect on partial melting by assuming that the melting degree only strictly increases through time. Melt is accumulated until a porosity threshold is reached and the excess melt is instantaneously extracted. The rheology of the partially molten peridotite is determined using a viscous constitutive relationship based on a contiguity model, which enables to take into account the effects of grain-scale melt distribution. The density varies as a function of the melt fraction and of the depletion of the residue. We analyze the kinematics of the plume as it impacts a moving plate, the dynamics of time-dependent small-scale convection (SSC) instabilities developing in the low-viscosity layer formed by spreading of hot plume material at the lithosphere base, and the resulting thermal rejuvenation of the lithosphere. The onset time and the vigor of SSC and, hence, the new equilibrium thermal state of the lithosphere atop the plume wake depends on the Rayleigh number (Ra) in the unstable layer at the base of the lithosphere, which is controlled by the temperature anomaly and rheology in the plume-fed layer. For vigorous, hot plumes, SSC onset times do not depend on plate velocity. For more sluggish plumes, SSC onset times decrease with increasing plate velocity. This behavior is explained by differences in the thermal structure of the lithosphere, due to variations in the spreading behavior of the plume material at the lithosphere base. Reduction of the viscosity in partial molten domains and decrease in density of the depleted residuum accelerate and enhance the vigor of small-scale convection in the plume-fed low-viscosity layer at the lithosphere base. It also reduces SSC onset times, leading to more effective erosion closer to the plume-lithosphere impact.

La jonction triple des Afars relie la mer Rouge, le golfe d'Aden et le rift éthiopien. Il est possible d'y étudier les différents stades d'extension depuis le rifting actif jusqu'aux marges continentales passives. Si l'extension et l'activité magmatique sont généralement considérées comme étant restreintes aux segments actifs des rifts ou aux dorsales océaniques, il existe pourtant une activité magmatique sur les flancs des marges continentales passives de l'Afar, du sud de la mer Rouge et du golfe d'Aden. La tomographie de bruit et la tomographie télésismique sont des méthodes complémentaires qui permettent d'imager la croûte ou le manteau supérieur et de mettre en évidence des systèmes magmatiques. Nos études de tomographie ont mis en évidence la présence de systèmes magmatiques complexes sous les flancs du rift Afar, en lien avec des sources hydrothermales en surface. La mise en place de matériel magmatique dense sous forme d'intrusions ou sous-plaqué au niveau de la croûte inférieure de l'Afar accommode l'extension en dehors des segments magmatiques actifs. De plus, les flancs de la marge de la mer Rouge au Yémen sont affectés par un magmatisme provoqué par des remontées localisées de matériel mantellique depuis une large zone de manteau anormalement chaud. Nous suggérons également, sous les épaules des marges passives de l'est du golfe d'Aden, la présence de systèmes magmatiques avec ou sans expression volcanique à la surface. Ces systèmes pourraient être alimentés par des cellules de convection petite échelle se mettant en place à la faveur de variations d'épaisseur de la lithosphère, en bordure de marge et à proximité des grandes zones de fracture du golfe d'Aden. / The Afar triple junction is a unique region that links the Red Sea, the Gulf of Aden and the Ethiopian rift, and where it is possible to study the different stages of continental breakup, from early rifting to seafloor spreading and development of continental passive margins. Extension and magmatic activity are generally thought to be restricted to the active volcanic segments of the rift or to oceanic ridges. However, magmatic activity is also present on the continental margins flanks of the Afar rift, southern Red Sea and Gulf of Aden. The ambient noise tomography and teleseismic body-wave tomography are complementary methods that allow imaging the crust and upper mantle, and help to reveal magmatic systems. Our tomographic studies of the Afar region provide evidence for the presence of complex magmatic systems under the Afar rift flanks, currently modifying the crust and linked with hydrothermal systems near the surface. The emplacement of intruded or under-plated dense magmatic material in the Afar lower crust accommodates the extension outside of the active magmatic segments. In addition, the Red Sea margin flanks in Yemen are affected by magmatism caused by localized small-scale upwellings of mantle material, from a broad abnormally hot mantle zone located beneath Afar and southwestern Yemen. We also suggest the presence of magmatic systems with or without a volcanic expression at the surface, beneath the passive margins shoulders of the eastern Gulf of Aden. We propose that these systems could be fed by small-scale convection caused by lithosphere thickness variations at the edge of the Arabian plate and near the Gulf of Aden main fracture zones.

Les compositions isotopiques de Sr, Nd et Pb des basaltes d'îles océaniques ont été mesurées de manière systématique depuis 30 ans. Les variations de ces compositions sont classiquement interprétées comme la signature du mélange entre des composants présents au sein des panaches mantelliques. Cependant elles peuvent aussi représenter des interactions entre les magmas et les réservoirs qu'ils traversent au cours de leurs remontées vers la surface. Après avoir mis en évidence les processus pouvant altérer la composition initiale d'un magma et proposer des moyens de s'en affranchir, 2 études locales sont éffectuées (îles de Sao Nicolau et de Sao Jorge, archipels du Cap Vert et des Açores). Ces deux études montrent la part importante des variations d'origine superficielle dans ces deux localités. Ces résultats sont ensuite généralisés à d'autres localités clés de la topologie mantellique et permettent de discuter d'un composant primitif ubiquiste dans les panaches mantelliques

Les effondrements massifs de flancs sont des évènements destructeurs qui affectent tous les édifices volcaniques. Ces effondrements peuvent impliquer quelques dizaines, voire centaines de km3 de roche. Les volcans boucliers océaniques, bien que possédant de faibles pentes, sont également affectés par ces épisodes destructeurs, entraînant la formation de tsunamis. Dans le contexte de bouclier océanique, ces déstabilisations n’ont jamais été observées. Actuellement, seules des reliques sont présentes sur les îles volcaniques, avec la présence de cicatrices d’effondrements, de dépôts détritiques en mer ou de dépôts de tsunami sur les îles voisines. Les relations entre le magmatisme des volcans boucliers et les effondrements de flanc sont peu contraintes. Afin de mieux comprendre ces relations, deux effondrements de flanc de volcans boucliers océaniques ont été étudiés : l’effondrement de Monte Amarelo sur l’île de Fogo, dans l’archipel du Cap Vert, et l’effondrement de Güímar, situé sur la rift-zone Nord-Est de Tenerife, dans l’archipel des Canaries. Les deux archipels résultent de l’activité d’un panache mantellique sous la plaque africaine.Les produits volcaniques pré et post-effondrement de ces deux secteurs ont été étudiés d’un point de vue géochimique (majeurs, traces, isotopes Sr-Nd-Pb), pétrologique et géochronologique (K-Ar, Ar-Ar), de manière à identifier à la fois les sources et les processus magmatiques mis en jeu lors de leur formation. L’évolution temporelle des sources, ainsi que des processus magmatiques, a été reconstruite afin d’identifier d’éventuels liens avec l’effondrement de flanc étudié.Les résultats montrent que l’évolution du magmatisme de l’île de Fogo amène à la formation de zones superficielles de stockage, de complexes intrusifs et d’éruptions explosives conduisant à de nouvelles instabilités de l’édifice. Suite à l’effondrement, ces zones de stockage sont déstabilisées en quelques milliers d’années. Les processus magmatiques lithosphériques (assimilation, fusion partielle) sont également perturbés mais sur une période plus longue (plusieurs dizaines de milliers d’années). L’effondrement de Güímar ne montre aucun lien avec le magmatisme de l’île de Tenerife.La différence principale entre ces deux contextes est la localisation de la zone effondrée par rapport au système magmatique. En effet, l’effondrement de Güímar est situé en périphérie du système magmatique et ne montre aucun lien avec ce dernier ; à l’inverse l’effondrement du Monte Amarelo, situé à l’aplomb du système magmatique, se répercute rapidement sur ce système à faible profondeur, mais également à des profondeurs lithosphériques avec un délai plus long. / Massive flank collapses are destructive events that affect all volcanic edifices. They can take off huge volumes of rock, from tens to hundreds km3. Oceanic shield volcanoes are also affected by such events even if they have shallow slopes, thus, tsunamis could also be generated in this context. However, a shield volcano flank collapse has never been observed. Nowadays, only relics are visible, such as collapse scars, detritic deposit offshore or tsunami deposits on nearby islands. The relationships between collapse and magmatic history of oceanic shield volcanoes are poorly constrained. Two flank collapses are studied in this thesis, with the aim to better understand these relationships: the Monte Amarelo collapse, on Fogo Island (Cape Verde), and the Güímar collapse, located on North-East rift-zone of Tenerife (Canary Islands). Those archipelagos are the result of hot spot activity below the African plate. Geochemical (major and trace elements, and Sr-Nd-Pb isotopes), petrological and geochronological (K-Ar and Ar-Ar) analyses were carried out on volcanic samples as to identify the source and magmatic processes at stake during magma genesis. The temporal evolution of source and magmatic processes is reconstructed in order to track possible links with the flank collapse. The magmatic system of Fogo Island evolves through time, favouring the formation of superficial storage zones, intrusive complex and explosive eruptions prior to the collapse, which participate to the instability of the edifice. Following the Monte Amarelo collapse, shallow storage zones are destabilized within a few thousand years. Lithospheric magmatic processes (assimilation, partial melting) are also affected but on a longer timescale (tens of thousands years). The Güímar collapse shows no links with the magmatic evolution of Tenerife Island. The main difference between the two collapses is the location of the collapse area with respect to the plumbing system. Güímar collapse is located at the periphery of the plumbing system and show no link with the magmatic history. Contrariwise, the Monte Amarelo collapse is located directly above the plumbing system and influence rapidly the superficial plumbing system, and the deep plumbing system in the long term.

La théorie de la tectonique des plaques implique que les plaques lithosphériques soient rigides. Or les reconstructions de l'ouverture de l'océan Atlantique NE, utilisant deux plaques rigides (Eurasie et Groenland), conduisent à des zones de recouvrement. De plus, l'ouverture océanique de la zone située entre l'Islande et la zone de fracture de Jan Mayen (JMFZ) fut très complexe, incluant la formation progressive du microcontinent de Jan Mayen (JMMC) et un saut de ride. J'ai développé une méthode de reconstruction palinspastique d' ouverture de l'Atlantique NE, à partir de données d'anomalies magnétiques et de zones de fracture, méthode qui permet d'obtenir un bon ajustement des anomalies magnétiques. Le modèle prédit des différences de direction et de taux d'ouverture entre les segments océaniques. Cette ouverture différentielle a induit des mouvements décrochants sénestres le long des zones de fractures océaniques, compatibles avec le développement de structures compressives le long de la marge continentale européenne, (1) de l'Éocène inférieur à l'Oligocène supérieur, le long de la zone de fracture des îles Féroé (FFZ), et (2) de l' Éocène supérieur à Oligocène inférieur, et au Miocène, le long de la JMFZ. Aussi,j'ai mis en évidence, par une étude de terrain, une réactivation Cénozoïque en dextre de la Great Glen Fault, en Ecosse, que j'interprète comme étant due aux mouvements senestres le long de la FFZ. Je suggère également que les forces motrices proviennent du point chaud, actuellement sous l'Islande, qui était en mesure de générer une ouverture différentielle de l'Atlantique NE et les déformations compressives de la marge continentale européenne.

Le plateau Caraïbe s'est formé, sans doute dans le Pacifique, par la fusion de la tête d'un panache mantellique. Il s'est ensuite accrété autour des Caraïbes et sur la côte ouest de l'Amérique du sud. Nous avons étudié des échantillons de l'île de Curaçao et de la ride de Béata, dans les Caraïbes, et de l'île de Gorgona dans le Pacifique. Ces échantillons sont des roches volcaniques (basaltes, komatiites et picrites) ou plutoniques (gabbros, dolérites, dunites et wehrlites). Nos méthodes sont celles de la pétrologie et de la géochimie élémentaire et isotopique (Nd, Sr, O).<br />La ride de Béata est formée de gabbros et de dolérites. Ces roches, comme celles de Curaçao, dérivent de liquides basaltiques et montrent des spectres de terres rares (TR) plats. Leur source est isotopiquement appauvrie. L'âge des roches de Béata suggère une longue histoire magmatique pour la formation du plateau en trois épisodes (90 Ma, 76 Ma et 55 Ma).<br />Toutes les roches plutoniques de Gorgona (gabbros, dunites et wehrlites) dérivent de liquides basaltiques montrant des spectres de TR plats ou appauvris en TR légères. Les picrites et les komatiites dérivent de liquides ultra-magnésiens appauvris ou très appauvris en TR légères. Les compositions isotopiques de Nd indiquent deux sources mantelliques : une appauvrie et une plus enrichie (epsilon Nd +10 et +6). La similitude des rapports d'éléments incompatibles et des compositions isotopiques suggère que certaines roches plutoniques dérivent par différenciation des liquides komatiitiques. Ces magmas se mettent ensuite en place dans des sills à faible profondeur.<br />Les conclusions principales sont :<br />(a) le système d'alimentation du plateau est complexe<br />(b) les liquides parents sont hétérogènes : ultra-magnésiens ou basaltiques, appauvris ou non en éléments incompatibles. La source comprend un composant enrichi et un composant appauvri.<br />(c) la tête du panache est zonée. Ceci est lié au processus de fusion partielle. Au cœur, de haute température, les liquides ultra-magnésiens se forment. Un processus de fusion fractionnée avancé permet de former des liquides très appauvris et l'échantillonnage du composant appauvri. Dans les bordures, plus froides, les liquides basaltiques se forment par des taux de fusion fractionnée moindres, ce qui favorise l'échantillonnage du composant enrichi. Ces liquides sont ensuite homogénéisés et acquièrent des signatures géochimiques uniformes.