L'isthme de Panama se situe en bordure SW de la plaque Caraïbe, à la jonction de trois plaques lithosphériques: les plaques Amérique du Sud, Nazca et Cocos. Cet isthme est constitué de deux arcs volcaniques formant l'Amérique Centrale. Leurs présences reflètent une histoire complexe de convergence, en subduction. L'événement majeur de cette région correspond à la collision de l'Amérique Centrale contre l'Amérique du Sud entre 12-25 Ma. L'objectif de cette thèse est de documenter les déformations avant, pendant et après le processus d'accrétion continentale. Le but est de mieux comprendre comment un arc volcanique s'accrète sur une marge continentale pour reconstruire l'histoire géodynamique de cette région de 70 Ma jusqu'à nos jours. Cette thèse combine: - une étude sédimentologique et paléontologique, - une étude structurale à partir de données spatiales, géophysiques, et de terrain, - une étude thermochronologique (AFT), - et une étude interprétative sismique. Je propose ainsi une accrétion progressive et oblique de l'Amérique Centrale sur l'Amérique du Sud, s'initiant au sud de la région d'Istmina à partir de 40-37 Ma. La plaque Caraïbe, piégée entre l'arc volcanique et la marge continentale sud-américaine, disparaît progressivement sous l'Amérique du Sud. Vers 15 Ma, l'accrétion de l'arc dans la partie colombienne se termine. Au Panama, la convergence continentale se poursuit, mais le système s'inverse. Une nouvelle subduction s'initie : la plaque Caraïbe subducte sous l'isthme. Les déformations compressives engendrées par l'accrétion contrôlent la migration des masses sédimentaires et permettent la surrection progressive de l'isthme créant le pont inter-Amériques. / The Panama Isthmus is located on the SW boundary of the Caribbean plate, at the junction of the South American, Nazca and Cocos plates. The isthmus is composed of two island arcs forming Central America. It formed by a complex history of plate subductions. The major tectonic event in this region is attributed to the accretion of Central America with South America between 12 and 25 Ma. The aim of this thesis is to document the deformation before, during and after the accretionary continental process. The main purpose is to better understand how a volcanic arc collides against a continental margin in order to reconstruct the tectonic history of this region since 70 Ma until today. This thesis combines: - a sedimentological and paleontological studies, - a structural study from spatial, geophysical and field work data, - a thermochronological study (AFT), - and an interpretative seismic study. I propose the initiation of progressive and oblique arc-continent collision during 40-37 Ma. The Caribbean plate, trapped between the arc and the continent, progressively disappeared beneath the South American continent. Around 15 Ma, the Colombian part of Central America was accreted and the convergence of Panama toward the continent progressed and produced a new subduction zone whereby the Caribbean plate subducted beneath the Panama Isthmus. Compressive deformations, caused by the collision, still actively control the migration of sedimentary masses, allowing the progressive emergence of the isthmus and forming the inter-American land bridge.

La transition d’un comportement séismique/instable à un comportement aséismique/stable est observée dans la partie en aval des zones sismogéniques (12-15 km de profondeur). Cette transition est supposée être contrôlée par l’activation de la plasticité de basse température du quartz à ~350°C. À cause de la grande profondeur à laquelle cette transition a lieu, le seul moyen pour étudier les processus physiques qui agissent en ces contestés, est l’étude des anciens prismes d’accrétion exhumés actuellement dans des chaines de montagnes. Le mélange tectonique de Hyuga et l’unité de Morotsuka appartiennent au prisme fossile de Shimanto et sont des unités metasédimentaires déformées à des températures peu inférieures ou égales à la limite fragile/ductile (~250 et ~340°C respectivement). Les résultats des observations de microstructures en microscopie optique et en microscopie électronique à balayage (diffraction des électrons rétrodiffusés) confirment que 1) la pression dissolution et une intense microfracturation sont les mécanismes de déformation principaux du quartz dans le mélange de Hyuga et localement l’activation de la plasticité du quartz est aussi observée; 2) dans l’unité de Morotsuka la recristallisation dynamique du quartz est pleinement active. Ces considérations indiquent que la température n’est pas le seul paramètre qui control l’activation de la plasticité du quartz, et laisse supposer la participation de l’effet adoucissant de l’eau. Avec le but de mieux comprendre le rôle de l’eau sur la rhéologie quartz, des expériences en Presse Griggs ont été menées, le matériel du départ étant de porphyroclasts de quartz (immergés dans une matrice sec) à la fois très riches en eau (provenant du mélange tectonique de Hyuga) et secs (quartz du Brésil). Ces expériences montrent l’effet très adoucissant de l’eau, qui à parité de conditions de déformation, favorise la migration de joint des grains dans le quartz de Hyuga tandis que le quartz du Brésil reste indéformé à exceptions de ses bordures extérieures. L’eau « en excès » est expulsée dans la matrice pour le quartz de Hyuga et stockée dans des bandes de cisaillement C’; l’eau incorporée par le quartz de Brésil n’est pas suffisantes pour favoriser la recristallisation dynamique. / The trasition from instable seismic to stable aseismic behaviour is observed in at the lower limit of the seismogenic zones in subduction zones (12-15 km). This transition is supposed to be controlled by the onset of quartz low grade plasticity at about 350°C. Due to inaccessibility of these geodynamic contests, the only way to study the physical processes acting at these depth are exhumed accretionary prisms exposed in mountain chains. The Hyuga tectonic mélange and the Foliated Morotsuka are metasedimentary units constituting the Shimanto accretionary prism (Japan). They were deformed at temperatures of ~250°C and ~340°C respectively, so slightly lower or equal to the temperature transition. Results by optical microscopy and EBSD reveal that 1) quartz deformation mechanisms active in Hyuga Tectonic Mélange are pressure solution and microfracturation accompanied by local quartz low grade plasticity; 2) dynamic recrystallization is totally active in quartz of the Foliated Morotsuka. These considerations allow to consider the role of water in triggering quartz plasticity especially in such water-rich contest as subduction zones. With the aim to better understand the role played by water on quartz rheology, we deformed high hydrated (from Hyuga unit) and dry (classic Brazil) quartz porphyroclasts within a quartz matrix, with the Griggs apparatus. These experiments show the weakening water effect on quartz strength. At the same deformation conditions, the high hydrated Hyuga quartz show recrystallization by grain boundary migration while the dry Brazil porphyroclasts are mostly undeformed, at exception of the outer recrystallized rims. The exceeding water expulsed from Hyuga quartz is stored in C’ shear bands in the matrix; water absorbed by dry Brazil porphyroclasts is not enough to promote dynamic recrystallization.

La mer Ionienne est une zone à la géodynamique active en raison de la convergence entre les plaques Nubie et Eurasie. Elle correspond aux derniers stades de vie d’un océan, la Téthys. De ce fait, la tectonique et la sédimentation y sont très réduites ; et les faibles flux sédimentaires permettent ainsi d’enregistrer une multiplicité de processus sédimentaires.Néanmoins, c’est une zone encore peu étudiée d’un point de vue sédimentaire, notamment sur les échelles de temps de l’ordre de la centaine de milliers d’années. Ce travail est basé sur une étude sédimentologique d’archives marines complétée par des données acoustiques (bathymétrie et multi-faisceau) issue de campagnes océanographiques du SHOM. L’analyse détaillée des faciès et des séquences sédimentaire a permis, dans un premier temps, d’établir un calendrier des risques naturels (séismes, tsunamis, volcanisme), leurs sources et leurs processus de dépôt dans le bassin pour les derniers 330 000 ans. Puis, dans un second temps, de retracer l’évolution sur les derniers 400 000 ans de la circulation et de l’oxygénation des eaux de fond dans le bassin ionien et l’influence du détroit de Sicile, et notamment de la plate-forme de Malte, sur les échanges entre les bassins occidental et oriental. L’intégration des données sédimentologiques dans un modèle géoacoustique développé par le SHOM a finalement permis de déterminer l’impact des variations sédimentaires (distribution spatiale, lithologie, stratification) sur la propagation des ondes acoustique pour différentes gammes de fréquences (300 Hz - 3000 Hz) et d’angle d’incidence (0 -90°) et d’établir une cartographie de la réponse sédimentaire du le signal acoustique. / The Ionian Sea is an active geodynamic area because of the convergence between theNubia and the Eurasia plate. It corresponds to the last stage of the Tethys ocean life. Therefore,the tectonics and the sedimentation are much reduced; and the low sedimentary supply enables torecord a multiplicity of sedimentary processes. Nevertheless, this area still poorly studied from asedimentary point of view, in particular on timescales on the order of hundred thousand years.This work is based on a sedimentological study of marine archives supplemented by acoustic data(bathymetry and multibeam imagery) recovered during oceanographic campaign leaded by theSHOM. The detailed sedimentary analysis of facies and sequences allows, at first, to established acalendar of the natural hazard (earthquakes, tsunamis, volcanism), their origins and theirdepositional processes into the basin over the last 330 000 years. Then, secondly, to reconstructthe evolution over the last 400 000 years of the circulation and the oxygenation of bottom waterthrough the Ionian basin and the influence of the strait of Sicily, in particular of the Malta Plateau,on the exchanges between the western and the eastern basins. The integration of thesedimentological data in a geoacoustic modelling developed by the SHOM finally allowed todetermine the impact of the sedimentary variability (special distribution, lithology, stratification)on the acoustic waves propagation for various frequency bands (300 Hz - 3000 Hz) and incidentangle (0 - 90°) and to established a mapping of the sedimentary answer of the acoustic signal.