Des cristaux de pyroxène zonés, avec un cœur de pigeonite et une bordure d'augite, cristallisent dans les komatiites et les basaltes lunaires. Pour comprendre leurs conditions de cristallisation, nous avons opté pour une double approche, expérimentale et analytique. Nos expériences réalisées dans le système CMAS reproduisent les cristaux de pyroxène avec des compositions chimiques et des textures comparables à celles observées dans les roches naturelles. L'étude analytique a été entreprise sur une série d'échantillons de komatiite archéenne et de basaltes lunaires. Nos résultats montrent que les textures et compositions chimiques du pyroxène dans ces komatiites sont la conséquence de conditions de cristallisation variées au sein d'une même coulée, et d'une coulée à l'autre. Les résultats de cette étude analytique couplés à un travail de modélisation, ainsi qu'une étude comparative de la géochimie de l'ensemble des komatiites mondialement recensées, arrivent à la conclusion que l'eau n'est pas nécessaire à la genèse d'une komatiite.

Ce travail apporte de nouvelles contraintes sur les interactions entre déformation et processus d'hydratation et de percolation de magma ou de fluides et leurs implications sur les propriétés sismiques dans le coin mantellique. Il se base sur l'analyse de péridotites à spinelle provenant du massif de Ronda (Espagne) et deux séries de xénolites issues de zones de subduction actives (Kamchatka, Papouasie-Nouvelle-Guinée). L'étude structurale, pétrologique et géochimique de ces échantillons montrent qu'ils ont subi une percolation réactive de magma ou de fluide synchrone d'une déformation de haute température basse contrainte cohérente avec les condition PT de la base de la lithosphère ou de l'asthénosphère. Cette percolation réactive est responsable d'un enrichissement en pyroxènes localisés dans des bandes parallèles aux structures de déformation. Cet enrichissement est associé à la décroissance et à la désorientation des cristaux d'olivine. Le système de glissement dominant dans l'olivine est {0kl}[100], cela implique que la direction de polarisation rapide des ondes S dans la partie supérieure du coin mantellique est parallèle à la direction d'écoulement du manteau. L'enrichissement en pyroxène associé à une décroissance de l'intensité des OPR de l'olivine a pour conséquence une baisse non négligeable de l'anisotropie qui peut induire jusqu'à 33% d'erreur sur l'interprétation de la couche anisotrope. Un enrichissement en orthopyroxène peut entraîner une baisse du rapport Vp/Vs, mais ne peut expliquer des Vp/Vs <1,7 cartés dans certains avant-arcs. Cependant de telles valeurs peuvent être expliquées si l'anisotropie des péridotites du coin mantellique est prise en compte. / This work provides new constraints on the interactions between deformation and hydration process and the percolation of melt or fluids, and their implications for seismic properties of the mantle wedge. It is based on the analysis of spinel peridotites from the massif of Ronda (Spain) and two xenolith suites from active subduction zones (Kamchatka, Papua New Guinea). The structural, petrological and geochemical of these samples show that they underwent a reactive percolation of melt or fluid, which was synchronous to a deformation event occuring under high temperature and low stress consistent with the PT conditions of the base of the lithosphere or in the asthenosphere. This reactive percolation is responsible for pyroxenes enrichment localized in bands parallel to the deformation structures. This enrichment is associated with the grain size recuction and the disorientation of the crystals of olivine. The dominant slip system in olivine is {0 kl}[100], which results in fast S-wave polarization parallel to the flow direction in the mantle. The enrichment in pyroxene, associated with a decrease in the intensity of the olivine crystal preferred orientations, results in a significant decrease of the anisotropy that may induce error on the interpretation of the anisotropic layer (up to 33%). The observed orthopyroxene enrichment also lowers the Vp/Vs ratio, but cannot explain Vp/Vs < 1.7 mapped in some fore-arc mantles. Such low Vp/Vs ratios may however be explained by considering the intrinsic anisotropy of the peridotites, which is generally ignored in large-scale Vp/Vs ratio mapping of the mantle wedge.

Les péridotites, roches du manteau terrestre, sont instables en présence d'eau et peuvent se transformer en un minéral hydraté la serpentine, qui a la capacité remarquable de générer de l'hydrogène H2; cette réaction s'appelle la serpentinisation. Au niveau des dorsales médio-océaniques, la circulation d'eau dans ces roches conduit à la formation de larges systèmes hydrothermaux. Ils montrent différentes conditions de température et de pH des fluides, bien qu'ils conduisent tous à la formation abiotique d'H2, de méthane CH4 et possiblement d'autres hydrocarbures légers.Cette thèse est dédiée à l'étude du rôle de la composition chimique du fluide hydrothermal sur la cinétique et les mécanismes de serpentinisation des roches ultrabasiques à différentes conditions de P-T. L'interaction entre l'olivine et/ou l'orthopyroxène a été analysée avec une solution aqueuse simulant une eau de mer enrichie en aluminium et/ou en ions bicarbonates, à différents pH. Une première série d'expériences a été réalisée à 200, 340 °C et 200 MPa en lp-DAC à l'ESRF en France. Elle a permis de quantifier les paramètres cinétiques de réaction, de déterminer un effet opposé de l'aluminium sur la cinétique de ces deux minéraux et l'accélération de la réaction en conditions alcalins. Autres expériences ont été réalisée à Pamb et 80 °C en flacons de verre. Elles ont conduit, pour la première fois, à la formation de serpentine ainsi qu'à la formation d'H2 et de CH4. Ces résultats montrent qu'une chimie plus complexe du fluide hydrothermal peut avoir un impact majeur sur la cinétique de la serpentinisation pour l'accélérer et la rendre plus accessible à une échelle de temps industrielle / Peridotites, Earth's mantle rocks, are unstable in the presence of water and can be transformed into a hydrated mineral, serpentine, which has the remarkable ability to generate hydrogen H2; this reaction is called serpentinization. At the mid-ocean ridges, the circulation of water in these rocks leads to the formation of large hydrothermal systems. They show great variability of temperature and fluids’pH conditions, although they all lead to the abiotic formation of H2, methane CH4 and eventually other light hydrocarbons. This PhD thesis is dedicated to the study of the chemical composition role of the hydrothermal fluid on the kinetics and mechanisms of serpentinization of ultramafic rocks to different conditions of P-T. The interaction between olivine and/or orthopyroxene was analyzed with an aqueous solution to simulate sea water which is rich in aluminum and/or bicarbonate ions, with different pH values. A first series of experiments was carried out at 200, 340 °C and 200 MPa in lp-DAC at the ESRF in France. It was used to quantify the kinetic parameters of the reaction, to determine an opposite effect of aluminum on the kinetics these two minerals and the acceleration of the reaction under alkaline conditions. Other experiments were performed in glass bottles at Pamb and 80 °C. They led, for the first time, to the formation of serpentine, as well as to the formation of H2 and CH4. These results show that the slightly more complex chemistry of the hydrothermal fluid can have a major impact on the kinetics of serpentinization to speed and make it more accessible to industrial time scale

Le caractère unitaire des ophiolites résulte de processus inéluctables à tout magmatisme qui engendre résidu, cumulat et liquide. Une comparaison des ceintures ophiolitiques entre elles a permis de souligner d'importantes discontinuités pétrologiques, structurales et stratigraphiques liées à des systèmes géotectoniques différents mais aussi à des variations longitudinales le long de la ceinture considérée. La classification pétrologique des ophiolites en deux types proposée précédemment a été affinée tandis que la quantification des fractionnements (majeurs et traces) à partir des exemples Corse et Vourinos a permis de juger de sa validité. En particulier dans les ophiolites de type Il (Vourinos) on retiendra que les liquides observés ont pu subir 40 % d'extraction réalisée principalement dans des chambres magmatiques sous-crustales. La composition des magmas qui évolue avec le temps -diminution des incompatibles et augmentation de la sursaturation en silice- est en accord avec un appauvrissement progressif du manteau. Dans les ophiolites à affinité de ride médioocéanique, (type 1), le manteau est renouvelé lors de l'accrétion à partir des hétérogénéités pétrologiques et structurales observées dans un massif de péridotites de Corse, l'importance des processus de fusion, fractionnement et métasomatisme dans un diapir mantellaire mis en place dans une zone d' accrétion a pu être appréciée et la chronologie des mécanismes précisée. Les ophiolites de type Il ont servi de base à une classification structurale des ophiolites en deux groupes dont la structure interne pourrait être liée aux conditions d'ouverture. En particulier, dans les ophiolites à structures verticalisées qui sont souvent plus pauvres en éléments incompatibles que celles à variations lithologiques et structurales sub-horizontales, la morphologie des chambres a été estimée à partir de l'étude d'un massif en Iran. Dans toutes les ophiolites examinées, la durée de l'accrétion est brève dépassant rarement 40 Ma même pour celles qui montrent le plus d' affinité géochimique avec les échantillons océaniques. Ces différents aspects, de même que la nature des formations géologiques associées, ont conduit à substituer au jeu distension-collision frontale, des coulissements induits par la dérive des plaques majeures. Ces derniers sont responsables de la succession d'ouverture et fermeture plus ou moins obliques par rapport aux ceintures bordant les continents. Si certaines ophiolites correspondent à des tentatives d'océanisation, d'autres sont intégrées dans le développement d' un orogène. Dans ce cas, les ophiolites apparaissent après la formation de bassins à marges passives devenant quelquefois actives avant d'être ensemble rapldement tectonisées.

Les roches mafiques à ultramafiques permettent de tracer les processus de formation et d'évolution des surfaces planétaires. Pour caractériser ces surfaces, la spectroscopie de réflectance visible-proche infrarouge est une technique adaptée de part sa sensibilité aux absorptions du fer présent dans les minéraux. L'objectif de cette thèse est de déterminer la composition modale des roches, ainsi que la composition chimique des minéraux constitutifs.<br />Nous avons développé une procédure basée sur la mise en oeuvre du Modèle Gaussien Modifié (MGM) qui permet de modéliser les spectres pour des assemblages minéralogiques complexes (olivine - orthopyroxène - clinopyroxène). Après validation de cette approche sur des données simples (poudres), la méthode a été appliquée à des roches naturelles complexes (météorites martiennes et roches d'Oman). Fort de l'expertise acquise dans cette étape intermédiaire, des cartographies minéralogiques ont alors pu être réalisées à partir de données spatiales et aéroportées, respectivement pour le volcan Syrtis Major sur Mars et le massif ophiolitique de Sumail (Oman). Nous avons ainsi montré que les laves de l'édifice volcanique présentent un enrichissement en olivine (Fo50-80) et que les pyroxènes, suivant les conditions de mise en place, peuvent avoir des compositions allant des augites aux enstatites. Pour l'ophiolite d'Oman, nous avons mis en évidence et cartographié pour la première fois des variations spatiales organisées de composition modale au sein même de l'unité harzburgitique. Nous avons également caractérisé des variations de composition dans les clinopyroxènes de la zone crustale ayant des implications pétrogénétiques.<br />Ces apports sont essentiels dans la caractérisation et la compréhension des processus pétrologiques inhérents à la formation des surfaces planétaires et devraient stimuler l'utilisation de l'imagerie spectroscopique à des fins géologiques.

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.