L'approvisionnement en métaux rares est devenu un sujet de préoccupation majeur du fait de nombreuses incertitudes géopolitiques et de leur utilisation croissante dans des produits de haute technologie. Cependant, pour assurer l'approvisionnement, des progrès doivent être accomplis dans la compréhension de la ressource. Parmi les métaux rares, la demande potentielle pour le scandium (Sc) est croissante, du fait de son utilisation dans des alliages de haute technologie ainsi que dans les piles à combustible. L'approvisionnement n'est actuellement pas assuré mais les gisements latéritiques sont des cibles prometteuses. Le Sc pourrait devenir un sous-produit de nombreuses latérites nickélifères, et même le principal produit des minerais latéritiques à fortes teneurs découverts dans l'est australien. Pour comprendre l'origine de ces enrichissements latéritiques en Sc, nous avons étudié les processus géochimiques et cristallochimiques qui forment l'un de ces gisements (Syerston–Flemington, Nouvelle-Galle du Sud). Une méta-analyse des études géochimiques portant sur les roches et minéraux mantelliques, qui forment les roches mères de toutes les latérites enrichies en Sc connues à ce jour, révèle que les lithotypes les plus favorables sont les cumulats à clinopyroxène ou amphibole. Cette étude montre aussi un changement drastique dans la compatibilité du Sc avec la profondeur dans le manteau, allant d'incompatible dans le faciès à spinelle à compatible dans le faciès à grenat. Cette dualité est particulièrement intéressante pour tracer la profondeur de fusion partielle des roches extrusives.Une étude intégrée combinant diffraction des rayons X, analyses chimiques en roche totale et à l'échelle microscopique, ainsi que l'absorption des rayons X, a été menée dans le but de comprendre les processus de concentration du Sc durant l'altération latéritique. Les profils latéritiques riches en Sc résultent de la dissolution des minéraux primaires présentant des enrichissements en Sc légers, mais significatifs. Ensuite, le Sc est piégé successivement par les smectites, puis les oxydes de fer après la dissolution des phases argileuses. Les teneurs en Sc reflètent la haute capacité d'adsorption de cet élément par la goethite. Avec les mécanismes de dissolution–précipitation formant des générations successives de goethite, cette capacité préserve l'immobilité du Sc alors que la plupart des autres éléments sont lessivés, amenant à de hautes concentrations résiduelles. / The supply of rare metals has become a great concern due to the combination of geopolitical uncertainties and increasing use in new high-technology materials. However, to secure supply, progress on the understanding of the resource is needed. Among rare metals, there is a growing potential demand for scandium (Sc), resulting from its use in high-performance alloys and solid oxide fuel cells. The current supply is not guaranteed but lateritic deposits are a promising target. Scandium could become a by-product of many nickel laterites, and even the main product of high-grade lateritic Sc ores in eastern Australia. To understand the origin of lateritic Sc enrichment, we investigated the geochemical and crystal-chemical processes forming one of these deposits (Syerston–Flemington, New South Wales). A meta-analysis of geochemical studies on mantle-derived rocks and minerals, which form the parent rocks of all known Sc-enriched laterites reveals that the most favourable lithotypes are cumulates of clinopyroxene or amphibole. It also shows a drastic change in the compatibility of Sc with increasing depth in the mantle, ranging from incompatible in the spinel facies to compatible in the garnet facies. This dichotomy is of great interest for tracing the depth of partial melting of extrusive rocks.Integrated X-ray diffraction, whole-rock and microscopic chemical analyses and X-ray absorption spectroscopy have been used to understand the processes that concentrate Sc during lateritisation. Scandium-rich lateritic profiles result from the dissolution of primary minerals containing slight but significant Sc enrichment, followed by successive trapping by smectite and iron oxides after dissolution of the clay phases. Scandium grades reflect the high capacity of goethite to adsorb this element. Along with mechanisms of dissolution–precipitation forming successive generations of goethite, it preserves Sc immobility while most other elements are leached, leading to high residual concentrations of Sc.

Ces dernières décennies, les xénolites de péridotites provenant des kimberlites et des basaltes ont contribué de manière déterminante à la compréhension de l'état physico-chimique du manteau supérieur de la Terre dont dépend la modélisation directe de déformation telle que le rebond post-glaciaire. Une telle approche requiert a priori la détermination des conditions physiques P, T et σ dont témoignent la chimie minérale et la texture de ces roches. Un protocole original d'inversion thermodynamique de données expérimentales pour des pyroxènes en équilibre mutuel, a d'abord été développé dans le but d'obtenir un géothermobaromètre fiable. D'autre part, l'étude menée par spectroscopie IRTF de pyroxènes montre que ces minéraux nominalement anhydres (NAMs) contiennent en fait de l'eau sous forme dissoute, de 38 à 450 ppm pour les cpx, et de 19 à 184 ppm pour les opx.Par son rôle perturbateur du réseau cristallin, cette eau affecte directement les propriétés physico-chimiques du manteau terrestre (viscosité, diagrammes de phase, conductivité électrique). La dissolution de cette eau est correlée à fO2, P et T, et seulement indirectement à la chimie des minéraux. Des analyses 1H, 27Al et 29Si MAS RMN sur ces phases contenant des teneurs non négligeables en fer, ainsi que sur des mélanges kaolinite+magnétite, permettent, entre autres, d'authentifier les signatures spectrales de ces pyroxènes naturels mais aussi de quantifier les espèces Al en termes de sites d'occupation. La complémentarité de ces outils, appliqués ici avec succès, ouvre de nouvelles perspectives de compréhension et modélisation des processus profonds.

Située à cheval sur la frontière franco-italienne, à proximité du col du Petit-Saint-Bernard, la zone du Versoyen est pincée entre le houiller briançonnais et les massifs cristallins externes, et se rattache structuralement à la zone des Brèches de Tarentaise (extrémité SW de la zone valaisane). Elle est constituée, d'écailles de serpentinites associées à des lentilles gneissiques, et d'un ensemble volcano-sédimentaire caractérisé par des filons-couches basaltiques différenciés, intrusifs dans une série pélitique d'âge Crétacé inférieur à moyen. Dans les parties sommitales du bâti, un débit en coussins est souvent observé. La trilogie ophiolitique classique n'est pas complète, en effet, sont absents les termes mafiques grenus et le "sheeted dike complexe" proprement dit (qui, en l'occurrence, pourrait être représenté par les sills). L'environnement géotectonique, dans lequel le complexe ophiolitique s'est développé, a pu être mis en evidence grâce à des diagrammes de discrimination géochimiques; il s'agirait d'un petit bassin, engendré dans une faille transformante, de type golfe de Californie. D'autre part, ces ophiolites et leurs sédiments associés ont subi une histoire métamorphique complexe qui a pu être retracée, grâce à une étude pétrographique détaillée et à l'analyse par microsonde des minéraux clés, selon le scénario suivant: Lors de la mise en place des sills se produit un métamorphisme de contact, à caractère thermique et hydrothermal, qui a eu lieu aux contacts sills - sédiments encaissants; il a principalement engendré des roches porcelanées, les adinoles. Un métamorphisme de fond océanique a suivi probablement peu après, occasionnant une remobilisation importante d'éléments volatils et produisant également, en certains secteurs, une spilitisation. Ensuite la zone du Versoyen a ete affectée par le métamorphisme régional alpin, à caractère polyphasé, représenté par 3 faciès; le premier, le faciès éclogitique (déjà mentionné lors d'études précédentes, mais considéré jusqu'alors comme "metamorphisme transporté"), a pu être défini comme s'étant développé in situ". La découverte de l'omphacite dans plusieurs secteurs du Versoyen et l'extension géographique de l'apparition de la jadéite notamment, permettent de cerner les conditions P-T qui ont permis la cristallisation des paragenèses éclogitiques; elles se situent entre 7 et 16 kbars, et 300 et 600* C. Un contexte géodynamique inédit est envisagé, soit une zone de subduction avec, conjointement, des phénomènes de surpression, engendrées par un chevauchement,tectonique majeur. Les faciès métamorphiques qui ont suivi sont : le facies schistes bleus, cristallisant, lui aussi, dans des conditions de P-T relativement extrêmes, et le faciès schistes verts, nettement rétrograde. Une approche géochronologique a été tentée, par l'isochrone, calculée pour les glaucophanes, métamorphisme paroxysmal (HP-BT) à 65 ± 16 M.a. ,

Ces dernières décennies, les xénolites de péridotites provenant des kimberlites et des basaltes ont contribué de manière déterminante à la compréhension de l’état physico-chimique du manteau supérieur de la Terre dont dépend la modélisation directe de déformation telle que le rebond post-glaciaire. Une telle approche requiert a priori la détermination des conditions physiques P, T et σ dont témoignent la chimie minérale et la texture de ces roches. Un protocole original d’inversion thermodynamique de données expérimentales pour des pyroxènes en équilibre mutuel, a d’abord été développé dans le but d’obtenir un géothermobaromètre fiable. D’autre part, l’étude menée par spectroscopie IRTF de pyroxènes montre que ces minéraux nominalement anhydres (NAMs) contiennent en fait de l’eau sous forme dissoute, de 38 à 450 ppm pour les cpx, et de 19 à 184 ppm pour les opx.Par son rôle perturbateur du réseau cristallin, cette eau affecte directement les propriétés physico-chimiques du manteau terrestre (viscosité, diagrammes de phase, conductivité électrique). La dissolution de cette eau est correlée à fO2, P et T, et seulement indirectement à la chimie des minéraux. Des analyses 1H, 27Al et 29Si MAS RMN sur ces phases contenant des teneurs non négligeables en fer, ainsi que sur des mélanges kaolinite+magnétite, permettent, entre autres, d’authentifier les signatures spectrales de ces pyroxènes naturels mais aussi de quantifier les espèces Al en termes de sites d’occupation. La complémentarité de ces outils, appliqués ici avec succès, ouvre de nouvelles perspectives de compréhension et modélisation des processus profonds. / Over the last decades, peridotite xenoliths brought up by kimberlites and basalts have largely and critically contributed to the understanding of the physical and chemical state of the Earth’s upper-mantle, a prerequisite for direct modelling of deep deformations such as those at work in post-glacial rebound. Such an approach first requires quantification of the physical conditions (P, T, σ) in control of mineral chemistry and rock textures. An original protocol for thermodynamic inversion of experimental data on mutually-equilibrated pyroxenes, was first developed to obtain a reliable geothermobarometer. Moreover, FTIR spectroscopic studies of pyroxenes show that these nominally anhydrous minerals (NAMs) actually contain dissolved water, from 38 to 450 ppm for cpx’s and from 19 to 184 ppm for opx’s. According to its disruptive action onto the crystalline network, such water directly affects the physical and chemical properties of the Earth’s mantle (viscosity, phase diagrams, electrical conductivity). Dissolution of this water component is correlated to fO2, P and T, but only indirectly to mineral composition. Last, 1H, 27Al and 29Si MAS NMR analyses on the same pyroxenes (as iron-bearing minerals), as well as on kaolinite+magnetite mixes, have authenticated NMR spectra for natural pyroxenes, but have also yielded constraining data on site occupancies, specially for Al. These complementary tools applied here with some success, open new prospects for the understanding and modelling of deep processes.

Les processus de déformation contrôlant l'amincissement de la lithosphère continentale sont encore mal contraints. Nos connaissances sont principalement basées sur la modélisation thermomécanique d'extension à l'échelle de la lithosphère--utilisant des lois rhéologiques derivées expérimentalement, l'imagerie géophysique et l'analyse de xénolithes provenant de rift continentaux actifs à ce jour, tels que le Rift Est-Africain. L'originalité de ce travail reside dans l'étude des deux plus grands massifs de péridotites sous-continentales ayant enregistrées des conditions primaires du facies à diamant: les massifs de Beni Bousera au nord du Maroc et de Ronda au sud de l'Espagne, respectivement. Les structures et la zonation petrologique et métamorphique --impliquant une évolution polybarique et polythermique-- préservéees dans ces massifs offrent une opportunité unique pour étudier l'évolution thermo-mécanique du manteau sous-continental dans un contexte extensif. Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes de déformation des péridotites et des pyroxénites afin de contraindre les modes d'exhumation du manteau lithosphérique sous-continental, depuis des conditions du facies des lherzolites à grenat, jusqu'au facies à spinelle et enfin à plagioclase. Nous avons combiné la cartographie des faciès tectono-métamorphiques et des structures ductiles de déformation, l'analyse des microstructures, la mesure d'orientations préférentielles de réseau (OPR), et la géothermobarométrie conventionelle couplée à la modélisation thermodynamique (PerpleX) afin de contraindre les conditions de pression et température de la déformation. Nous avons montré que l'exhumation précoce du facies à grenat au facies à spinelle était accomodée par une faille transtensive affectant le manteau lithosphérique. Dans ce contexte, la zonation tectono-métamorphique et le gradient thermique important (ca. 100ºC/km) préservés à Beni Bousera résultent de la juxtaposition mécanique de domaines lithosphériques initialement équilibrés à différentes pressions et températures, fossilisée à une profondeur de ca. 60 km durant l'Oligocène supérieur (ca. 25 Ma). L'exhumation finale du facies de lherzolite à spinelle au facies à plagioclase et l'emplacement final dans la croûte, mieux enregistrés dans Ronda, se sont produits par inversion et plissement de la section lithosphérique fortement amincie dans un contexte arrière-arc, probablement lors du retrait vers le sud de la lithosphère subduite et la collision de l'arc avec les paléo-marges maghrébines au Miocène inférieur (21-23 Ma).

Afin d'évaluer les hypothèses de recyclage interne du carbone par la subduction et de formation de diamant dans la croûte subductée, des expériences ont été réalisées en presse multi-enclumes sur l'assemblage Fe-dolomite + quartz (présent dans les sédiments subductés ou formé par l'altération des basaltes) dans des conditions de pression-température de 4 à 14 GPa et de 800 à 1600°C. Deux études ont été menées : la stabilité de cet assemblage a d'abord été testée en conditions rédox intrinsèques puis en conditions réductrices ; ensuite, les interactions avec le coin mantellique ont été évaluées en étudiant, d'une part, les processus d'échange entre un cylindre de Fe-dolomite + quartz et un cylindre de péridotite à grenat, et d'autre part, les équilibres de phases dans des mélanges péridotite-sédiment. Cette étude montre qu'un sédiment (ou une éclogite) carbonaté est déstabilisé à plus faible profondeur en présence de fer. De plus, les conditions réductrices imposées par le manteau diminuent encore la stabilité de cet assemblage lors de la subduction. Une zone réactionnelle à clinopyroxène + Fe-magnésite se forme à l'interface slab/manteau. L'infiltration du carbone dans le coin mantellique est très rapide et de la magnésite s'y forme. Ainsi, un recyclage des carbonates à grande profondeur semble peu probable. Ces expériences montrent également que du graphite ou du diamant peut se former au sommet de la croûte océanique subductée par réduction des carbonates à basse température.

Les ophiolites présentent un grand interêt d'une part pour les reconstitutions géodynamiques des chaînes de montagnes, d'autre part pour l'étude détaillée des processus d'accrétion océanique. Ce memoire s'appuie principalement sur l'étude de trois terrains issus de la Téthys et présentant des caractères contrastés: - l'ophiolite de Semail, en Oman, est une des plus belles ophiolites du monde; sa taille permet la mise en évidence des variations longitudinales des processus d'accrétion à une échelle comparable à celle abordée dans les océans; - les ophiolites du Ladakh, préservées sous forme de klippes charriées sur la plaque indienne telle l'ophiolite de Spongtang, ou sous forme de petites écailles dans la suture et substratum de l'arc représentent des traceurs géodynamiques importants et indiquent des conditions opposées depuis l'accrétion jusqu'à l'obduction par rapport à l'ophiolite d'Oman; - les ophiolites tauriques présentent des caractère intermédiaires. Ce mémoire présente les résultats des études pétro-structurales menées dans ces ophiolites et les implications pour leur accrétion, leur histoire tectonique intra-océanique, et leur obduction. Les ophiolites omanaises présentent à l'affleurement une séquence souvent complète, et des structures témoignant d'un taux d'accrétion élévé. Les structures tranverses à l'axe sont rares et aucune n'interrompt la séquence crustale; les relations entre les différents faciès suggèrent une segmentation de la dorsale à l'échelle d'environ 30 km, qui évoluait avec le temps. A plusieurs endroits (Fizh, Haylayn) des 'overlaps' ou des 'propagating rifts' ont pu être mis en évidence. La séquence plutonique est constituée à part presques égales de gabbros et de wehrlites qui sont souvent interlités et pourraient représenter soit des ensembles de sills s'intrudant mutuellement, soit deux liquides coexistants mais immiscibles. Les structures internes de la série plutonique présentent souvent des variations et des images de recoupement à petite échelle; il est probable que ces variations reflètent la superposition de nombreuses petites chambres. Leur formation est expliquée par des cycles d'imprégnation de la zone de transition, celle-ci devenant périodiquement instable et intrudant la section crustale. Ces structures primaires sont en beaucoup d'endroits transposées par un flux visqueux, couplé avec le flux plastique des péridotites sous-jacentes. Ce couplage est particulièrement bien exprimé dans les gabbros de base, en contact direct avec les péridotites. Les autres ophiolites étudiées présentent des caractères bien différents, des séquences rarement complètes et des péridotites souvent moins déprimées, plus abondamment affectées par les zones de cisaillement lithophériques. La Klippe de Spongtang est composée essentiellement de péridotites, dans lesquelles les structures astenosphériques sont reprises par des zones de cisaillement s'organisant en deux familles: l'une à foliations sub-verticales et linéations sub-horizontales indiquant un mouvement décrochant, l'autre à structures sub-horizontales. Des wehrlites et gabbros peu repandus sont recoupés par des mini-complexes filoniens, orientés perpendiculairement aux cisaillements transverses. Ces structures suggèrent que l'accrétion de Spongtang eut lieu près de l'intersection d'une ride avec une zone transformante. Les facies et leur pétrologie présentent des caractères d'une ophiolite accrétée au droit d'une dorsale lente. Les critères structuraux et pétrologiques, ainsi que son âge crétacé inférieur, permettent de la comparer aux ophiolites Tibétaines, suggérant leur accrétion dans un domaine commun. L'obduction de la Klippe de Spongtang est tardive, contemporaine de la collision et résulte du glissement gravitaire d'un petit domaine océanique prédestiné par son relief, dans un bassin de mélanges dévelopé au pied de la marge passive de la platefrome nord-indienne. Ce scenario est complètement différent de celui proposé pour l'ophiolite omanaise. La zone de fracture d'Owen Chaman limite ici des domaines à evolutions différentes. Les structures des ophiolites tauriques suggèrent également une genèse dans un bassin océanique haché de zones transformantes, d'âge comparable à celles du Ladakh. Des cumulats bien développés, au moins localement, indiquent par contre un taux d'accrétion plus élevé. La tectonique intra-océanique est enregistrée par les cisaillements sub-horizontaux dans les amphibolites de semelle d'une part, et dans des brèches supraophiolitiques d'autre part.