Ce manuscrit présente une étude expérimentale de la diffusion de l’hydrogène (H) dans la wadsleyite à basses températures et pression ambiante et une analyse par spectroscopie infrarouge des défauts OH de la wadsleyite et de la ringwoodite, les constituants majeurs de la zone de transition du manteau (ZT ; entre 410 et 670 km de profondeur). Après synthèses des échantillons par presse multi-enclume, des expériences d’échange isotopique hydrogène-deutérium (H-D) entre 450 et 300°C et à pression ambiante permettent de suivre l’évolution des concentrations en défauts OH dans la wadsleyite polycristalline par spectrométrie infrarouge en fonction du temps de recuit. Ces expériences montrent 2 cinétiques d’extraction clairement distinctes avec 6 bandes OH plus lentes. Des mesures sur monocristaux en polarisation et d’autres entre -194 et 50°C tendent à les lier à des défauts impliquant des sites tétraédriques. Des différentes mesures du coefficient de diffusion d’échange H-D, nous tirons 2 lois logDH=-6.04(±1.49)-153(±11)/RTln(10) pour la limite basse et logDH=-4.26(±1.36)-164(±10)/RTln(10) pour la limite haute. Selon les modèles de conductivité électrique terrestre, en supposant celle-ci comme étant la résultante de la mobilité de H+ uniquement, ces lois permettent une estimation des teneurs en eau dans la ZT très probablement supérieure à 0,1 wt%H2O et atteignant la saturation pour les régions à très forte conductivité électrique. Ceci impliquant une teneur en eau au moins 10 fois plus élevée que l’estimation de référence pour la wadsleyite (Hae et al., 2006) et compatible avec celle (1 wt%H2O) d’un échantillon naturel de ringwoodite découvert récemment (Pearson et al., 2014). / This manuscript presents an experimental study of hydrogen (H) diffusion in wadsleyite at low temperatures and ambient pressure and an infrared spectroscopy (FTIR) analysis of H-related defects for wadsleyite and ringwoodite, the main components of the mantle transition zone (TZ; from 410 to 670 km depths). These mineral phases ability to incorporate high H-contents suggests that the mantle TZ is an important potential H reservoir. Hydrogen-deuterium (H-D) isotopic exchange experiments have been done at low temperatures (between 450 and 300°C) and ambient pressure and evolution of wadsleyite H-defects is followed by FTIR spectroscopy in function of annealing time. These experiments show two clearly distinct kinetics of extraction with 6 slower OH bands that polarized FTIR spectroscopic measurements on monocrystals, other at very low temperatures (-194 to 50°C) tend to link with defects involving tetrahedral sites.The measured H-D exchange diffusion coefficients show that the H “self diffusivity” in wadsleyite is delimitated by two diffusion laws in m2/s: logDH=-6.04(±1.49)-153(±11)/RTln(10) for the lower limit and logDH=-4.26(±1.36)-164(±10)/RTln(10) for the upper limit.According to the Earth’s electrical conductivity models and assuming this one as the only product of the proton’s mobility, we show that water content in TZ is most likely higher than 0.1 wt% H2O and potentially up to saturation concentrations. This implies a water content at least 10 times higher than the previous estimate from the diffusion study of Hae et al.(2006) and compatible with the recent discovery of a natural 1wt%H2O water content ringwoodite sample included in a diamond (Pearson et al.,2014).

La zone de transition est située entre 410 et 660 km de profondeur dans le manteau terrestre. Bien qu'il s'agisse d'une zone assez petite en volume du manteau terrestre, son rôle peut être important pour déterminer le mode, la vigueur et l'échelle de la convection globale, par exemple par le devenir de la subduction des plaques lithospheriques. Cette convection résulte de la déformation plastique des minéraux, qui elle-même résulte du mouvement des défauts cristallins. Parmi ces défauts, les dislocations sont souvent considérées comme les agents les plus efficaces de la plasticité intracristalline. C'est pourquoi nous proposons d'étudier les mouvements des dislocations dans les principales phases de la zone de transition: la wadsleyite et la ringwoodite. Par une approche de modélisation numérique, nous avons déterminé la mobilité thermiquement activée du glissement des dislocations que l’on trouve dans les polymorphes haute-pression de l'olivine. A partir de l'échelle atomique, nous avons modélisé les propriétés de coeur des dislocations. La déformation plastique est formulée en rendant compte de la dépendance intrinsèque du taux de déformation sur la mobilité des dislocations. Pour mieux comprendre les mécanismes de fluage dans la wadsleyite et la ringwoodite en conditions naturelles, on a utilisé les résultats précédemment définis sur le glissement que l’on a combiné avec la mobilité des dislocations en montée. Les résultats montrent que le glissement des dislocations est inefficace par rapport au fluage par montée dans des minéraux majeurs de la zone de transition. Cela suggère l'importance potentielle du fluage par montée, ce qui rendrait la zone de transition rhéologiquement distincte du manteau supérieur. / The transition zone is the region in the Earth's mantle between 410 and 660 km depth that separates the upper from the lower mantle. In spite of its small volume, it may play a role in constraining the style, vigour and scale of global mantle convection through, for instance, the fate of subducting slabs. Mantle convection is governed by plastic flow that occurs through the motion of crystal defects. Line defects or dislocations are considered to be one of the most efficient defects contributing to intracrystalline deformation. That is why in this work, we concentrate on the motion of dislocations in relation to the major phases of the mantle transition zone: wadsleyite and ringwoodite. A theoretical mineral physics approach is used to model the thermally activated glide motion of dislocations at appropriate pressure conditions in both high-pressure polymorphs of olivine. The intrinsic properties of dislocation core structures are modelled and parametrized by atomic scale calculations to take into account the effect of pressure on atomic bonding. Plastic deformation is finally described by taking into account the instrinsic strain rate dependence on the mobility of the defects.Since plastic deformation by the motion of dislocations is associated with creep, we use the above results and a climb mobility law to address the effective creep process in wadsleyite and ringwoodite under natural conditions. We show the inefficiency of dislocation glide as a strain producing deformation mechanism and suggest the potential importance of pure climb creep in the main minerals constituting the Earth's transition zone. This would imply the mantle transition zone to be rheologically distinct from the upper mantle.

L'étude de la plasticité des minéraux du manteau terrestre sous pression joue un rôle majeur dans la compréhension et la modélisation des grands processus actifs à l'intérieur de la Terre tels que la convection mantellique. Cependant, les propriétés des minéraux du manteau sont toujours, à ce jour, mal connues. L'objectif de ce travail est d'étudier la rhéologie de la partie inférieure du manteau supérieur et de la zone de transition, à travers l'étude des propriétés mécaniques de la forsterite (Mg2SiO4) et de ses deux polymorphes de haute pression (wadsleyite et ringwoodite). En effet, ces phases sont les constituants principaux des zones étudiées et on peut considérer, en première approximation, qu'elles contrôlent les propriétés du manteau.<br /> Des échantillons de forsterite frittés et de wadsleyite et de ringwoodite synthétisés sous pression ont été déformés dans les conditions de pression du manteau et à 1300-1400°C. L'influence de la transformation de phase forsterite-wadsleyite sur la rhéologie a également été étudiée. Les expériences de déformation en cisaillement ont été menées dans la presse multi-enclumes de type « Kawai ». Quelques expériences complémentaires sur la forsterite ont été menées dans la nouvelle presse Deformation-DIA. Certaines ont été réalisées sur synchrotron afin de mesurer contraintes et déformations in situ. Les microstructures des échantillons obtenus ont été caractérisées par Microscopie Electronique en Transmission et leurs textures ont été déterminées à l'aide de la technique de diffraction des électrons rétrodiffusés. <br /> En ce qui concerne la forsterite, nous avons mis en évidence un important changement de système de glissement induit par la pression. A haute pression et température, la déformation de la forsterite est dominée par le glissement [001](hk0) alors que le glissement [100] a largement été observé à basse pression et haute température dans les travaux antérieurs.<br /> La plasticité de la wadsleyite et de la ringwoodite a été étudiée principalement aux travers des textures. La méthode de simulation ViscoPlastic Self Consistent a été utilisée pour faire le lien entre les textures et les mécanismes de déformation supposés pour ces deux phases. Les grandes caractéristiques des textures de la wadsleyite sont l'alignement des axes [100] avec la direction de cisaillement alors que les axes [001] sont normaux au plan de cisaillement. Pour la ringwoodite, aucune texture fiable ne peut être proposée. <br /> Enfin, les textures produites par la déformation plastique des trois polymorphes peuvent être proposées comme étant à l'origine de l'anisotropie sismique du manteau supérieur et de la zone de transition. Le changement de système de glissement dominant de la forsterite permet d'expliquer la faible anisotropie sismique observée dans la partie inférieure du manteau supérieur et la texture de la wadsleyite indique un écoulement horizontal dominant dans la partie supérieure de la zone de transition.

L’évolution des assemblages pétrologiques avec l’augmentation de pression et de température est couramment perçue à l’équilibre et figée dans le temps. Le développement des sources synchrotron de rayons X permet à présent de mesurer in situ et en temps résolu les vitesses de transformations minéralogiques à haute pression (HP), haute température (HT). Cette thèse présente l’utilisation de cette technologie dans 2 contextes géologiques. (i) Le potentiel sismogène de la déstabilisation des minéraux hydratés dans les plaques en subduction est vérifié. Les cinétiques de déshydratation du talc, de la phase à 10Å et de l’antigorite ont été mesurées à HP-HT en système clos. Nous avons identifié que l’antigorite se déshydrate en passant par un stade intermédiaire. Toutes les vitesses de libération de fluides associées sont plus rapides que la déformation visqueuse des roches et sont donc compatibles avec le déclenchement de rupture. (ii) Les cinétiques de transition olivine-ringwoodite ont été déterminées dans la loupe de costabilité pour des compositions riches en Fe. Elles mettent en évidence une amorphisation partielle de l'olivine en début de transformation. Cela pourrait perturber de manière significative la vitesse des ondes sismiques lors de leur passage au niveau de la zone de transition mantellique. Par ailleurs, les temps caractéristiques de réaction et la réduction conséquente de la taille des grains, indiquent qu’une telle transition de phase induit une atténuation sismique importante. Ces résultats expérimentaux in situ HP-HT révèlent des mécanismes originaux de transition de phase et contribuent ainsi à une meilleure compréhension des modèles géodynamiques / The evolution of petrological assemblies with increasing pressure and temperature is commonly perceived at equilibrium and fixed within time. The development of X-ray synchrotron sources now enable to measure in situ, time-resolved rates of mineralogical transformations at high pressure (HP), high temperature (HT). This thesis presents the application of this technology in two geological settings. (i) The seismogenic ability of breakdown of hydrated minerals within the subducting slab is checked. The dehydration kinetics of talc, 10Å phase and antigorite were measured at HP-HT in a closed system. We have found that antigorite dehydrates through an intermediate stage. All associated rates of released fluids are faster than the viscous deformation of rocks and are therefore compatible with the trigger of rupture. (ii) The kinetics of olivineringwoodite transition were determined within the co-stability loop for Fe-rich compositions. They show a partial amorphization of olivine at the beginning of the transformation. This could significantly affect the velocities of seismic waves when crossing the mantle transition zone. Moreover, the characteristic times of this reaction and the substantial reduction in grain size, indicate that such a phase transition may induce a significant seismic attenuation. These in situ HP-HT experimental results reveal novel mechanisms of phase transition and thus contribute to a better understanding of geodynamic models