Arc magmatism is sustained by the complex interactions between the subducting slab, the overriding plate, and the mantle wedge. Partial melting of mantle peridotite is achieved by fluid-induced flux melting and decompression melting due to upward flow. The distribution of melting is sensitive to temperature, the pattern of flow, and the pressure in the mantle wedge. The arc front is the surface manifestation of partial melting in the mantle wedge and is characterized by a narrow chain of active volcanoes that migrate in time. The conventional interpretation is that changes in slab dip angle lead to changes in the arc front position relative to the trench. We explore an alternative hypothesis: evolution of the overlying plate, specifically thickening of the arc root, causes arc front migration. We investigate the effects of varying crustal morphology and viscous decoupling of the shallow slab-mantle interface on melt production using 2D numerical models involving a stationary overriding plate, a subducting plate with prescribed motion, and a dynamic mantle wedge. Melt production is quantified using a hydrous melting parameterization. We conclude: 1) Localized lithospheric thickening shifts the locus of melt production trenchward while thinning shifts melting landward. 2) Inclined LAB topography modulates the asthenospheric flow field, producing a narrow, well-defined arc front. 3) Thickening of the overriding plate exerts increased torque on the slab, favoring shallowing of the dip angle. 4) Viscous decoupling produces a cold, stagnant forearc mantle but promotes arc front melting due to reduction in the radius of corner flow, leading to higher temperatures at the coupling/decoupling transition.

The Nicoya Peninsula of Costa Rica is unusually close to the Middle America Trench (MAT), such that interface locking along the megathrust is observable under land. Here, rapid convergence between the downgoing Cocos and the over-riding Caribbean plates at ~85mm/yr allows for observable high strain rates, frequent large earthquakes and ongoing micro-seismicity. By taking advantage of this ideal location, a network of 20 on-land broadband seismometers was established in cooperation between UC Santa Cruz, Georgia Tech, and OVSICORI, with most stations operating since 2008. To evaluate what seismicity tells us about the ongoing state of coupling along the interface, we must consistently evaluate the location and magnitude of ongoing micro- seismicity. Because of large levels of anthropogenic, biologic, and coastal noise, automatic detection of earthquakes remains problematic in this region. Thus, we resorted to detailed manual investigation of earthquake phases. So far, we have detected nearly 7,000 earthquakes below or near Nicoya between February and August 2009. From these events we evaluate the fine-scale frequency-magnitude distribution (FMD) along the subduction megathrust. The results from this b-value mapping‟ are compared with an earlier study of the seismicity 9 years prior. In addition, we evaluate them relative to the latest geodetically derived locking. Preliminary comparisons of spatial and temporal variations of the b-values will be reported here. Because ongoing manual detection of earthquakes is extremely laborious and some events might be easily neglected, we are implementing a match-filter detection algorithm to search for new events from the continuous seismic data. This new approach has been previously successful in identifying aftershocks of the 2004 Parkfield earthquake. To do so, we use the waveforms of 858 analyst-detected events as templates to search for similarly repeating events during the same periods that have been manually detected. Preliminary results on the effectiveness of this technique are reported. The overall goal of this research is to evaluate the evolution of stress along the megathrust that may indicate the location and magnitude of potentially large future earthquakes. To do so, I make the comparison between the FMD and the interface locking. Only positive correlations are observed in the Nicoya region. The result is different from the one derived from the seismic data set that was recorded 9 years before our data. Therefore, to substantiate the causes for the different relationships between the b-value and the coupling degree, we need additional data with more reliable magnitudes.

La zone de subduction des Tonga-Kermadec est le résultat d une évolution géodynamique complexe. L intéraction des mécanismes d ouverture du domaine arrière-arc, de la subduction de la ride oblique de Louisville, de la déchirure de la plaque Pacifique plongeante ou encore d une obliquité de convergence croissante du Nord au Sud de la zone, est à l origine de la segmentation morphotectonique actuelle du système. Une approche couplée de modélisation numérique 3D et de sismotectonique a permis d étudier l état de contrainte d un système convergent induit lors de la subduction d une plaque océanique le long d une marge courbe ou encore, lors de la subduction d un relief océanique. Pour cela, un code numérique en éléments finis thermo-mécanique en 3D (ADELI-3D) a été développé par R. Hassani, puis validé dans le cadre de cette thèse. Les résultats soulignent un effet significatif des variations latérales d un système convergent sur les déformations lithosphériques engendrées. (1) Dans le cas de marges à géométrie courbe, une convexité ou concavité vers l océan, induit respectivement un régime compressif ou extensif dans la plaque supérieure et ce, quel que soit le contraste de densité entre la lithosphère et l asthénosphère ou encore la valeur du coefficient de friction interplaque. (2) Les résultats des simulations numériques 3D et de l étude sismotectonique ont mis en évidence le rôle significatif de la subduction d une ride océanique sur l état de contrainte de la plaque supérieure. La subduction d une ride se traduit par la surrection de la marge et un régime compressif au front du relief en subduction. Nos simulations montrent que la distribution des contraintes au sein de la plaque chevauchante est contrôlée par l obliquité de la ride. Dans la plaque chevauchante du système Tonga-Kermadec, une segmentation tectonique et cinématique des zones d arc et d arrière-arc est mise en évidence à travers la résolution de l état de contraintes déduit des mécanismes au foyer. Un régime de contraintes similaire est obtenu dans nos modèles 3D et nous permet de confirmer le rôle significatif de la subduction de la ride de Louisville sur la structuration actuelle du bassin arrière-arc de Lau. (3) L étude de la distribution de la sismicité et des mécanismes au foyer de la plaque plongeante révèle une influence de cette ride sur le comportement profond de la plaque. Un saut de subduction, qui coïncide avec l arrivée de la ride de Louisville dans la fosse est mis en évidence au Nord de la ride de Peggy. Ce saut de subduction s est accompagné d un détachement de la partie profonde du panneau plongeant, souligné par une vaste lacune de sismicité sous le Bassin de Lau. Une étude fine de la distribution de la sismicité de la plaque supérieure a permis d identifier de nouvelles structures tectoniques dans le Nord du système Tonga, à savoir l axe Futuna-Niua Fo ou, interprété comme une ancienne frontière de plaques et l accident intra-arc de Niuatoputapu, impliqués dans la réorganisation globale du système.

Les processus affectant le coin mantellique situé au-dessus d’une zone de subduction (déformation et interaction avec les fluides/liquides magmatiques libérés par la plaque inférieure) ont des implications importantes sur la dynamique de la subduction et le budget géochimique global de la Terre.Afin de mieux contraindre ces processus, ma thèse a porté sur l’étude de l’unité rubanée de l’ophiolite du Semail. Cette unité de 200-500m d’épaisseur s’est (dé)formée, juste au-dessus de l’interface interplaque, pendant l’initiation de la subduction ou du chevauchement intra-océanique (qui a mené, à terme, à l’obduction de l’ophiolite). Elle est en effet située au-dessus de la semelle métamorphique HT (amphibolites à granulites ; 750-850°C et 0.9-1.1GPa) interprétée comme des écailles de la plaque inférieure métamorphisées et sous-plaquées à la plaque supérieure (actuelle ophiolite) lors des premiers stades de la convergence.Après une caractérisation structurale de terrain de cette unité rubanée et la collecte de plus de200 échantillons tout le long de l’ophiolite, j’ai mené une analyse intégrée (Microscopie optique, MEB, microsonde, EBSD, (LA-)ICPMS) sur une sélection d’entre-eux, afin de caractériser l’évolution P-T, pétrologique, géochimique et structurale des péridotites de l’unité rubanée pendant cet épisode de déformation.Les résultats montrent que cette déformation a mené à la formation de zones de cisaillement (proto)mylonitiques (~850-750°C) puis ultramylonitiques (~750-650°C) et que cette déformation BT s’est faite en décompression (d’~3kbar, i.e. 10km). Les résultats pétrologiques indiquent que des fluides silicatés hydratés ont percolé à travers (et intéragi avec) ces péridotites pendant cette déformation. Ces processus d’interaction ont mené à (1) la précipitation de minéraux métasomatiques (Ol+Opx+Cpx+Spl+Amp±Sulf), et (2) l’enrichissement des phases en éléments mobiles dans les fluides (surtout B, Li et Cs :concentrations de 1 à 40 fois celles du manteau primitif).L’analyse des isotopes du bore (δ11B des péridotites métasomatisées jusqu’à +25‰) démontre que ces fluides ont une signature de subduction et qu’ils sont vraisemblablement issus de la déshydratation de la semelle HT lors de sa formation à 750-850°C.En combinant ces résultats avec une analyse microstructurale, j’ai ensuite étudié les mécanismes et les rétroactions entre la circulation de ces fluides, la déformation des péridotites et la localisation de cette déformation. A l’échelle macroscopique, on observe une focalisation des fluides dans les zones de cisaillement actives, associée à une localisation progressive de la déformation.Nous avons aussi exploré les conséquences rhéologiques de l’hydratation de ce manteau sur le régime, couplé ou découplé, de l’interface. Les lois rhéologiques indiquent que l’affaiblissement des (proto)mylonites de l’unité rubanée, par hydratation, peut expliquer le couplage de l’interface de subduction à 850-750°C et, ainsi, l’accrétion de la semelle HT. Nous interprétons les zones de cisaillement ultramylonitiques ultérieures (~750-650°C) comme étant liées au stade d’exhumation simultanée de l’unité rubanée et de la semelle HT d’environ 10km au-dessus de l’interface, jusqu’à leur position actuelle sous l’ophiolite.Les résultats de cette étude suggèrent donc que l’interface semelle HT/unité rubanée représente une interface de subduction fossilisée et le manteau (proto)mylonitique sus-jacent, un coin mantellique qui s’est (dé)formé et a intéragi avec des fluides de subduction pendant l’initiation de la subduction. L’unité rubanée de l’ophiolite du Semail représente donc un des rares objets géologiques permettant d’étudier les processus à l’oeuvre dans un coin mantellique, et d’en traquer, avant sa fossilisation, les transformations mécaniques et chimiques sur ~1 million d’années. / The processes affecting the mantle wedge atop a subduction zone (deformation and interaction with fluids/melts released by the downgoing plate) play a major role on subduction zones dynamics and the global geochemical budget of the Earth.To better constrain these processes, my Ph.D. research project has focused on studying the basal banded unit of the Semail ophiolite. This 200-500m thick peridotitic basal unit was (de)formed, directly above the interplate interface, during the intra-oceanic subduction (or underthrusting) initiation (that ultimately led to the ophiolite obduction). The banded unit indeed overlies the HT metamorphic sole (amphibolites to granulites ; 750-850°C and 0.9-1.1GPa) interpreted as slices of the downgoing plate underplated to the upper plate (the ophiolite) during early subduction (or subduction "infancy").After a field-based structural characterization of this banded unit and more than 200 samples collected all along the strike of the ophiolite, I carried out an integrated analysis (Optical microscopy, SEM, microprobe, EBSD, (LA-)ICPMS) on selected samples, in order to constrain the P-T, petrological, geochemical and structural evolution of the banded unit peridotites during this deformation event.Our results show that this deformation led to the formation of (proto)mylonitic (at ~850-750°C) then ultramylonitic (at ~750-650°C) shear zones and that this deformation was associated with peridotites decompression (of ~3kbar, i.e. 10km). Petrological results suggest that hydrated silicate fluids have percolated through (and interacted with) these peridotites during their deformation. These interaction processes triggered (1) the precipitation of metasomatic minerals (Ol+Opx+Cpx+Spl+Amp±Sulf), and (2) the enrichment of phases in fluid mobile elements (parti- cularly B, Li and Cs;concentrations from 1 to 40 times higher than those of the primitive mantle).The analysis of boron isotopes (δ11B of metasomatized peridotites up to +25‰) demonstrated that these fluids had a "subduction signature" and that they presumably derived from HT sole dehydration while forming at 850-750°C.By combining these results with microstructural analyses, I then studied the mechanisms and feedbacks between the circulation of these fluids, peridotites ductile deformation and strain localization. At the macroscopic scale, we observe a focusing of fluids in actively deforming peridotites associated to progressive strain localization during peridotites cooling.We also investigated the rheological consequences of banded unit peridotites hydration on the regime (coupled or decoupled) of the interface. Rheological laws indicate that the hydration-related weakening of banded unit (proto)mylonites is able to explain the coupling of the subduction inter- face at 850-750°C and, thereby, HT sole slicing and accretion. We interpret the later development of the ultramylonitic shear zones (at ~750-650°C) as being associated to the subsequent exhumation stage, i.e. the coeval exhumation of the banded unit and the HT metamorphic sole over around10km along the interface, up to their present-day position under the ophiolite.The results of this work suggest that the HT sole/banded unit contact represents a fossilized subduction interface and the overlying (proto)mylonitic mantle, a frozen-in mantle wedge that was (de)formed and interacted with subduction fluids during subduction infancy. The Semail ophiolite banded unit therefore provides a rare glimpse of processes affecting a mantle wedge, and enables tracking its mechanical and geochemical transformations over 1My (prior to its fossilization).The processes highlighted in this Ph.D. research project thus bring new constraints on the (petrological-geochemical-rheological) consequences of mantle wedge peridotites interaction with subduction fluids.

La Sierra Nevada de Santa Marta (SNSM) est peut-être Le massif de la croûte terrestre le plus complexe trouvé dans les Andes du Nord. Sa situation unique comme un massif triangulaire isolé segmenté de la continuité de 7000 km de long Andes montagne comme la dernière position devant les domaines de la plaque des Caraïbes plus jeune, place la SNSM comme une île séparée de toutes les chaînes de montagnes environnantes de la marge continentale. Un relief important caractérise cette montagne atteint l'altitude la plus élevée dans le domaine des Caraïbes entière à 5750 m, et de définir, la SNSM comme le plus grand chaîne de montagnes côtières dans le monde. La SNSM est une caractéristique géologique unique un remarquable que les récifs coralliens Etreintes biodiversité de SES dans les forêts tropicales qui passent d'auge fortement végétalisées la mer des Caraïbes, les forêts de haute nuage, et bruyères, jusqu'à ce que, son magnifique sommet couronné par les glaciers.Par sa position sur la marge nord - ouest de l' Amérique du Sud l'étude de la SNSM donne l'occasion de résoudre des questions importantes sur l'évolution des cycles super-continentales depuis les temps Grenvilliens par l'orogenèse Neoproterozoic Pan-Africain, l'orogenèse Paléozoïque tardif Ouachitan-Appalaches cela a conduit Pangaea assemblée, et Trias Pangaea débâcle suivie par la Rift Atlantique Jurassique centrale et plus récemment par le début de la plaque des Caraïbes accrétion / subduction depuis le Crétacé tardif contre le nord - ouest en Amérique du Sud.Je tenté de démêler l'histoire géologique de la Sierra Nevada de Santa Marta Massif utilisant les plus avancées en géochronologiques, thermochronologiques, géochimiques et isotopiques techniques qui a permis de recueillir une quantité importante de nouvelles données à ajouter à la base de données existante sur la SNSM. Nos résultats comprennent une carte géologique réévaluée 1: 25000, qui comprend la définition de quatre nouvelles unités stratigraphiques, Accompagné de deux sections crustales sur 320 km de longueur ce disséquer le massif, et 8 sections parallèles à l'angle nord - ouest de le ceinture métamorphique de la SNSM. L'ensemble des données géochimiques et isotopiques comprend: i) 17 roches ignées et métamorphiques et six échantillons détritiques datés par ablation laser induite par couplage plasma spectrométrie de masse (LA-ICP-MS) U-Pb zircon géochronologie qui a abouti à 2790 nouvelles dates et in-situ analyse des oligo - élément, ii) 16 roches ignées et métamorphiques qui a donné 31 nouveaux âges thermochronometriques: 12 âgés du traces de fission en zircon 11 âges du traces de fission des apatites et 7 âges (U-Th) / He dans les apatites, iii) Géochimie de la roche entière à partir de 10 échantillons et iv) analyses à la microsonde chimie minérale et cartes x-ray de quatre échantillons a donné aux grenats zonées et péritectiques. Elles ont été données acquises à partir des unités du complex métamorphique nord - ouest du massif SNSM. Avec ces données, nous enquêté i) Les unités sont conformes à la SNSM ce ceintures métamorphiques, de leurs relations chronologiques et stratigraphiques du Précambrien à l'Eocène; ii) Le laps de temps et les conditions P-T du l’événement métamorphique Paléozoïque tardif à Mésozoïque précoce (chapitre 1), iii) Le moment de l'activité ignée, accrétion et l'exhumation des terranes océaniques et continentales au cours du Crétacé tardif à la fin du Miocène. iv) Un mécanisme pour expliquer comment l’exhumation a eu lieu sous un régime collisionnel influencé par un processus climatique à l'érosion et des gradients thermiques élevées (chapitre 2); v) Les processus tardifs de la dénudation et la sédimentation contrôlées par la tectonique dans deux bassins marginaux depuis le Miocène précoce dans le diminution des taux d'érosion et gradients thermiques (chapitre 3). / The Sierra Nevada de Santa Marta (SNSM) is perhaps the most complex crustal massif found in the Northern Andes. Its unique situation as an isolated triangular massif segmented from the continuity of the 7000 km long Andes as the last standing mountain before the domains of the younger Caribbean plate, places the SNSM as an island separated from all surrounding mountain ranges of the continental margin. A prominent relief characterizes this mountain reaching the highest altitude in the entire Caribbean realm at 5750 m, and defines, the SNSM as the highest coastal mountain range in the world. For this reason the SNSM is a unique geological feature that embraces an outstanding biodiversity from its coral reefs in the Caribbean Sea passing trough heavily vegetated tropical rainforests, high cloud forests, and moorlands, until its magnificent summit capped by glaciers.By its position on the northwestern margin of South America the study of the SNSM provides the opportunity to resolve important questions on the evolution of super-continental cycles since Grenvillian times through the Neoproterozoic Pan-African orogeny, the Late Paleozoic Ouachitan-Appalachian orogeny that led to Pangæa assembly, and Triassic Pangæa break-up followed by the Jurassic Central Atlantic Rift and more recently by the start of the Caribbean plate accretion/subduction since the Late Cretaceous against northwestern South America.In this investigation I attempt to unravel the geological history of the Sierra Nevada de Santa Marta Massif using geochronological, thermochronological geochemical and isotopic techniques that allowed to gather a significant amount of new data to add to the existent database on the SNSM.Our results include a reevaluated geological map 1:25000, in which I define 4 new stratigraphic units, accompanied by two crustal-scale cross sections of 320 km length that dissect the massif, and 8 parallel cross sections at the NW corner of the SNSM metamorphic belt. The geochemical and isotopic dataset includes: i) 17 igneous and metamorphic rocks and 6 detrital samples dated by laser-ablation induced-coupled-plasma mass-spectrometry (LA-ICP-MS), U-Pb zircon geochronology that resulted in 2790 new dates and in-situ trace element analyses, ii) 16 igneous and metamorphic rocks that yielded 31 new thermochronometric ages as follows: 12 zircon fission track ages, 11 Apatite fission track ages and 7 (U-Th)/He in apatite ages, iii) Whole rock geochemistry from 10 samples and iv) Microprobe mineral chemistry in spot analyses and x-ray maps from 4 samples that yielded zoned and peritectic garnet. These data were acquired from the units of the northwestern metamorphic suite of the SNSM massif. With these data we investigated i) The units that conform the SNSM metamorphic belts, their chronological and stratigraphic relationships from the Precambrian to the Eocene; ii) The time span and P-T conditions of a Late Paleozoic-Early Mezosoic metamorphic event (Chapter 1), iii) The timing of igneous activity accretion and exhumation of oceanic and continental terranes during the Late Cretaceous to late Miocene. iv) A mechanism for explaining how this exhumation occurred under a collisional regime by a climate influenced process at elevated erosion and thermal gradients (Chapter 2); v) The late processes of denudation and sedimentation controlled by tectonics in two marginal basins since the early Miocene under decreased erosion rates and thermal gradients (Chapter 3).

Ces dernières années ont vu le développement d'une nouvelle méthode d'imagerie des structures géologiques basée sur l'utilisation du bruit sismique continu. Dans ce travail nous avons utilisé cette approche dans deux problématiques différentes. La première consiste à réaliser le suivi temporel des vitesses des ondes sismiques dans la croûte lors de séismes lents qui ont eu lieu dans la région de Guerrero au Mexique. Les séismes lents sont des glissements asismiques et transitoires qui ont été découverts récemment dans la lacune sismique de Guerrero. Ils sont considérés comme une part importante de la relaxation des déformations dans le cycle sismique. Les séismes lents affectent le processus de chargement et déchargement de l'interface, il est donc important de comprendre le comportement mécanique de la subduction dans cette région pour mieux évaluer le risque sismique. Dans notre étude, nous avons mesuré les perturbations de vitesse des ondes associées à deux séismes lents en 2006 et 2009-2010 à partir des enregistrements continus du bruit sismique. Pour chacun des deux séismes lents on observe une chute de vitesse : elle s'élève à 0.2% pour celui de 2006 et à 0.8 % pour celui de 2009-2010. Au cours de ces séismes lents, les ondes de longues périodes (>10 s) sont perturbées. A courtes périodes, aucune variation de vitesse n'est observée ce qui suggère qu'un endommagement des couches superficielles de la croûte ne peut pas être à l'origine du changement de vitesse. Par ailleurs, la perturbation de vitesse est reliée au taux de dé- formation plutôt qu'à la déformation elle-même. Cette observation suggère que pendant de forts séismes lents, la croûte chevauchante présente un comportement mécanique non linéaire. Nous pouvons donc utiliser les variations de vitesse comme des marqueurs du taux de déformation du milieu. Enfin, une corrélation entre les trémors non volcaniques et les variations de vitesse suggère qu'une part importante de la déformation résultant des séismes lents est accommodée par la croute chevauchante. La deuxième problématique abordée dans cette thèse est l'imagerie de structures à fort contraste de vitesse et dans lesquelles la propagation des ondes de surface est complexe. Imager et comprendre la propagation des ondes dans la vallée de Mexico est crucial pour l'estimation du risque sismique à la capitale. Nous mesurons la dispersion des ondes de Rayleigh reconstruites à partir d'intercorrélations de bruit de fond sismique. Pour identifier les modes nous utilisons une mesure du rapport spectral des composantes horizontales sur la composante vertical (H/V) sur la coda des séismes que l'on compare avec le rapport H/V théorique. Grâce à cette identification des modes, nous pouvons retrouver le modèle de vitesse de la structure. / Recent years have seen the development of a new method for imaging geological structures based on continuous seismic noise. In this work we used this approach in two different problems. The first is to monitor seismic waves velocity in the crust during slow slip events that occurred in the region of Guerrero in Mexico. These slow slip events are aseismic transients that were observed recently in the seismic gap of Guerrero. They are considered an important part of the strain relaxation in the seismic cycle. Since slow slip events affect the process of loading and unloading of the interface, it is important to understand the mechanical behavior of the subduction in this region to better assess the seismic risk. In our study, we measured wave velocity perturbations associated with two slow slip events in 2006 and 2009-2010 from continuous recordings of seismic noise. For both events we observed a drop in wave speed : it reaches 0.2 % in 2006 and 0.8 % in 2009-2010. During these slow slip events waves of long periods (> 10 s) are disturbed. At short period, no velocity variation is observed suggesting that damage of the superficial layers of the crust cannot produce such velocity perturbation. Moreover, the wave speed change is related to the strain rate rather than the deformation itself. This observation suggests that during strong slow slip events the overriding crust presents a nonlinear mechanical behavior. We can therefore use the velocity variations as a proxy of the strain rate of the medium. Finally, a correlation between non-volcanic tremor and changes in waves speed suggests that part of the deformation resulting from the slow slip events is accommodated by the overriding crust. The second issue addressed in this thesis is imaging geological structures with high velocity contrast in which the propagation of surface waves is complex. Charac- terizing and understanding wave propagation in the Valley of Mexico is crucial for the estimation of seismic risk in Mexico City. We measure the dispersion of Rayleigh waves reconstructed from cross-correlations of seismic noise. To identify the modes of Rayleigh waves we use a measure of the spectral ratio of the horizontal components to the vertical component (H / V) in the coda of earthquakes which are compared with the theoretical H / V. With this identification method, we can find the velocity model of the structure.

L’objectif de cette étude est de contraindre les déformations au cours du Pléistocène d'une marge active à partir de l’analyse sismo-stratigraphique des sédiments conservés sur la plate-forme et la pente supérieure, le long de la marge centrale d’Equateur. A partir les données de sismique haute résolution et de carottage collectées pendant l'expédition Atacames (2012), plusieurs bassins ont été identifiés. La répartition latérale et de la succession des séquences T-R dans ces bassins montrent une distribution complexe des sédiments dans le temps et l'espace. Ce travail montre que, le long des marges actives, l’analyse sismo-stratigraphique de l’enregistrement des séquences liées aux cycles eustatiques du Pléistocène est un outil très puissant. A l'échelle locale, la subduction de seamounts perturbe et renforce l'effet de déformation régionale de la ride de Carnegie. / The aim of this study is to constrain recent deformation and stratigraphic evolution of an active margin, using sismo-stratigraphic analysis of Pleistocene sediment preserved on the margin shelf and upper slope along of the Central Ecuadorian margin. From the extensive geophysical and sedimentological investigations carried out during the ATACAMES expedition (2012), we are identified serveral basins in the Ecuadorian margin. A detailed analysis of the thickness, the lateral distribution and stacking patterns in these basins show a complex distribution of sediments in time and space. The seismic-sequence stratigraphy analysis related to eustatic cycles of the Pleistocene shows a regional regional unconformity at the base (1782-Ka as minimum age), which can correspond to the signature of the beginning of the Carnegie ridge collision.

La zone de subduction entre les plaques Nazca et Amérique du Sud est une des régions les plus actives de notre planète. De grands tremblements de terre et tsunamis associés se produisent de façon récurrente presque tout au long de sa marge. Néanmoins, le segment de subduction au nord du Pérou (de lat.3oS à 9oS) est resté le seul segment sismiquement silencieux depuis les premières informations historiques sur les séismes qui remontent au XVème siècle. Avant les travaux présentés dans ce manuscrit, aucune information sur les processus accommodant la convergence de la plaque Nazca vers le continent Sud-Américain n’était disponible le long du segment de 1000km au nord Pérou et sud Equateur. Les techniques de géodésie spatiale, en particulier le GPS/GNSS, nous permettent de quantifier les mouvements à la surface de la plaque supérieure avec une précision millimétrique. Ces mesures, couplées à l'utilisation de modèles élastiques, nous permettent de déterminer le niveau du couplage intersismique le long de l'interface entre les plaques. Le but de ma thèse est d'étudier le cycle sismique et la déformation continentale le long de la zone de subduction du Pérou, avec un intérêt particulier pour son segment nord. Nous utilisons des mesures GPS acquises depuis 2008 dans le cadre d'un projet international (le projet Andes Du Nord, ANR- ADN). Le champ de vitesse GPS obtenu couvre l’ensemble de la marge de subduction péruvienne, avec des mesures dans la cordillère et dans une moindre mesure dans la région sub-Andine. L'analyse et la modélisation du champ de vitesse GPS ont permis d'obtenir les résultats suivants: Premièrement: nous mettons en évidence l'existence d'un nouveau domaine continental, que nous avons baptisé comme le sliver Inca et qui est en translation a une vitesse de 4-5 mm/an en direction sud-est par rapport au craton Sud Américain. Le sliver Inca s’étend tout le long de la marge péruvienne. / The Nazca/South American subduction zone is one of the most active regions on Earth. Large earthquakes and associated tsunamis occur recurrently almost all along its margin. Nevertheless, the ~1000 km long (from lat.2oS to 9oS) segment in northern Peru and southern Ecuador subduction has remained in relative seismic silence for at least the past five centuries. Before the work presented in this thesis, no information about the processes accommodating the convergence was available for this region and it was impossible to answer whether it could host a great Mw>8.5 earthquake in future or not. Nowadays, spatial geodesy, and more specifically GPS/GNSS enable us to quantify the surface displacement on the overriding plate with millimeter accuracy. Geodetic measurements together with the use of elastic models allow us to determine the amount of interseismic coupling at the plate interface. My thesis focuses on the seismic cycle and the continental deformation along the Peruvian subduction margin, with particular interest along its northern and central segments. We use GPS measurements acquired since 2008 in the frame of an international French-Peruvian- Ecuadorian project (the Andes Du Nord project, ADN). Our GPS velocity field covers the entire Peruvian subduction margin, with measurements in the Andean cordillera and part of the sub-Andean region. Modeling of GPS velocity field show the existence of a new tectonic microplate that we baptized as the Inca Sliver, which is in southeastward translation a rate of 4-5 mm/yr with respect to stable South America.

Les terrains en faciès des schistes bleus dans l'Arc Ibéro-Armoricain sont rares et limités à de petits domaines. Un de ces exemples est l'unité de Ceán qui constitue l'affleurement le plus occidental de l'Allochtone moyen dans le NO du Massif Ibérique et dans la chaîne varisque de l'Europe occidentale. L'unité de Ceán est interprétée comme une séquence volcanosédimentaire qui représente probablement la couverture d'une croûte transitionnelle ou océanique. Les informations sur l'évolution P–T de roches de ce terrain sont donc essentielles pour comprendre les caractéristiques et les mécanismes de la subduction de cette marge. L'unité de Ceán forme la partie supérieure du Complexe de Malpica-Tui (MTC) et comprend des proportions variables de métapélites à glaucophane-chloritoïde et de roches mafiques avec d'abondants pseudomorphes de lawsonite automorphe bien préservés. L'objectif principal de cette recherche est une étude détaillée de l'évolution métamorphique de ces lithologies à l'aide de diagrammes de phases . L'analyse pétrologique montre que l'unité de Ceán a enregistré une évolution métamorphique en trois étapes. (i) Un métamorphisme précoce (M1), lié à la subduction (ii) Un métamorphisme prograde dans le faciès des schistes bleus (iii) Un métamorphisme lié à l'exhumation (M3, post-M3). Les résultats obtenus à partir de la modélisation numérique des effets du H2O et Fe2O3 dans l'évolution des roches du faciès des schistes bleus ont donné des contraintes de premier ordre pour les modèles géodynamiques qui peuvent avoir une application générale. (i) Cette étude propose que le métamorphisme des zones de subduction peut se développer dans des conditions de sous-saturation en H2O, liées à la cristallisation de la lawsonite. La transition entre le faciès schistes bleus à lawsonite et le faciès des amphibolites / schistes verts produit une hydratation significative qui est principalement le résultat de la déstabilisation de la lawsonite. (ii) La proportion du fer ferrique à une forte influence sur les équilibres de phases. Les valeurs analysées du Fe2O3 ne reflètent pas nécessairement l'état d'oxydation pendant les principales étapes de l'évolution métamorphique et sont probablement facilement modifies par l'altération superficielle, même dans les échantillons frais en apparence. L'utilisation des pseudosections P/T–X(H2O/Fe2O3) avec une analyse pétrographique détaillée (incluant une bonne connaissance de la composition chimique des minéraux et de leurs relations texturales) est alors nécessaire pour estimer le degré de saturation en fluide et l'état réel oxydation afin d'évaluer correctement les conditions P–T pendant le métamorphisme de subduction. L'âge du pic du métamorphisme dans le faciès des schistes bleus a été contraint à environ 363±2 Ma par la méthode 40Ar/39Ar sur muscovite phengitique des schistes pélitiques. Les datations sur les muscovites des mylonites quartzo-feldspathiques du détachement de Bembibre-Ceán, à la base de l'unité de Ceán a donné un âge d'environ 337±3 Ma. Cet âge est interprété comme le début de la tectonique en extension qui mène au collapse gravitationnel de l'orogène. Les différences entre l'événement HP/BT et le début de la tectonique post-nappes suggèrent une vitesse d'exhumation de 2–2,5 mm/an pour le complexe de Malpica-Tui. Ces âges supportent l'équivalence de l'unité de Ceán avec l'unité supérieure de l'Ile de Groix dans le Massif Armoricain et suggèrent que les deux terrains partagent le même événement en faciès des schistes bleus vers 360–370 Ma qui peut représenter la subduction tardi-dévonienne carbonifère précoce de la marge nord du Gondwana sous le Laurussia, au début de la tectonique varisque. / Blueschist-facies (BSF) terranes in the Ibero-Armorican Arc are restricted to scarce and relatively small areas. One of these examples is the Ceán Unit (CU), the westernmost exposure of the Middle Allochthon in the NW Iberian Massif, and in the European Variscan belt. The CU is a volcano-sedimentary sequence interpreted as a part of the cover of a transitional (continental to oceanic) crust of the north Gondwana margin during its subduction below Laurussia. Thus, constraints on the pressure–temperature (P–T) evolution of rocks from this terrain are essential to understand the subduction of this margin. The CU forms the upper tectonic sheet of the Malpica-Tui Complex (MTC) and comprises variable proportions of glaucophane-chloritoid-bearing metapelites and mafic rocks with abundant well-preserved pseudomorphs after euhedral lawsonite. The main objective of this research consists in a detailed study of the metamorphic evolution of these lithologies using pseudosection approach. Petrological analysis shows that the CU recorded a three-stage metamorphic evolution comprising (i) early subduction-related MP/LT metamorphism (ca. 350–380 ºC, 12–14 kbar), which is only preserved in the basal part of the sequence. (ii) Subduction-related blueschist/LT-eclogite-facies prograde metamorphism characterized by a H2O-undersaturated prograde P–T path peaking at 19–22 kbar, corresponding to a maximum burial of ca. 65–70 km. (iii) Exhumation-related metamorphism occurred in two stages (1) a slower nearly isothermal decompression and a phase of fast cooling once the rocks have reached an upper crustal level. Furthermore, thermodynamic modelling of the effects of H2O and Fe2O3 in the metamorphic evolution of BSF rocks shows that (i) subduction zone metamorphism may occur in H2O-undersaturated conditions induced by the crystallization of a significant modal amount of lawsonite, and (ii) the analysed values of Fe2O3 may not reflect the oxidation state during the main metamorphic evolution and are probably easily modified by superficial alteration even in apparently fresh samples. Then, the use of P–T–X(H2O/Fe2O3) pseudosections together with a thorough petrographic investigation, and an extensive knowledge on the mineral chemistry and the textural relationships is necessary to estimate the extent of fluid-saturation during subduction zone metamorphism and the real oxidation state of the rocks to correctly evaluate the P–T conditions. The age of the peak BSF metamorphism has been constrained at ca. 363±2 Ma by 40Ar/39Ar step-heating of phengitic muscovite from the pelitic schists, supporting the equivalence of the CU and its counterpart in the Armorican Massif, the Upper Unit of Ile de Groix. This suggest that both terranes share a BSF event constrained at ca. 360–370 Ma, that may represent the Late Devonian-Early Carboniferous subduction of the northern margin of Gondwana beneath Laurussia, at the onset of the Variscan collision.

La géologie, et plus particulièrement la géophysique, repose sur l’observation, directe et indirecte, de phénomènes se produisant en surface et dans les profondeurs de la Terre. Ces observations nous permettent d’étudier et définir la structure et les dynamiques globales de la Terre. L’étude des ondes sismiques générées par les tremblements de terre les plus puissants permet, par exemple, d’entrevoir la structure des hétérogénéités dans les premières centaines de kilomètres de la Terre. Dans cette thèse, nous nous intéressons au champ d’onde diffracté, qui est composé des arrivées tardives qui suivent les ondes incidentes. Par définition, les ondes diffractés contiennent de l’information liée aux hétérogénéités diffractantes, autrement dit les structures à petite échelle de la Terre, qu’elles rencontrent le long de leur trajet. De ce fait, il est possible d’étudier les variations rapides de vitesses sismiques grâce au champ d’onde diffracté, alors que ces informations seraient perdues dans les méthodes tomographiques à cause des facteurs de régularisation. Afin d’exploiter le champ d’onde diffracté, on a recours aux fonctions récepteurs (« receiver function » en anglais, RF) et à la migration sismique en profondeur de pré-empilage. Les procédures standard de migration sismiques sont de deux types principaux. Le premier type de procédures, dont l’exemple type est la migration en point de conversion communs (« common conversion point » en anglais, CCP) est rapide mais repose sur l’hypothèse fondamentale que les discontinuités que l’on cherche à imager sont horizontales. Le second type de procédures, pour lesquelles on peut citer la « reverse time migration » (RTM), ou la « generalized radon transform » (GRT), ne font pas d’hypothèse sur la structure du sous-sol, mais demandent une forte intensité des calculs et sont de fait souvent limités à des géométries bidimensionnelles. Au cours de ce manuscrit, nous développons une migration sismique de type Kirchhoff qui se base sur des calculs de temps de trajet sismique rapides en trois dimensions et quasiment aucune hypothèse sur la structure du milieu sous-jacent. Cet algorithme efficace nous permet de nous affranchir des traditionnelles limitations à des études 1D ou 2D. Notre principe d’imagerie prend en compte les ondes diffractées transmises et réfléchies, et se place dans la suite des travaux de Cheng et al. (2016). Nous adaptons la migration de type Kirchhoff élastique aux géométries de diffraction inhérentes à la sismologie passive et prenons en compte les multiples de surface. Les temps de trajet de toutes les ondes diffractées sont calculées grâce à la « fast marching method » (FMM). Les amplitudes et la polarité des signaux des RF sont corrigées à l’aide du calcul de figures de diffraction 3D. Pour extraire l’information des conversions transmises et réfléchies de façon cohérente, les résultats pour chaque mode de diffraction sont sommés de plusieurs façons (linéaire, à filtre de phase, et à filtre d’amplitude non linéaire). Afin de démontrer l’efficacité et la précision de notre méthode de migration, nous procédons à des tests synthétiques, aussi bien dans des situations réalistes qu’artificiellement compliquées, en nous servant du logiciel Raysum. Les résultats de ces tests prouvent que cette méthode de migration permet d’obtenir une image fidèle du milieu imagé quasiment sans artéfacts. En intégrant les trois composantes des RF dans la migration, cette méthode de migration est capable d’exploiter l’information d’ondes arrivant avec n’importe quel angle d’incidence et n’importe quel azimut. Finalement, cette méthode de migration multi-mode 3D est appliquée à deux jeux de données de terrain issus de réseaux sismiques déployés au dessus de zones de subduction, en Grèce et en Alaska / In geology, and in particular in geophysics, direct and indirect observations of processes occurring both at the surface of the Earth and at depth are used to understand the structure and dynamics of the Earth. For instance, seismic waves generated by large earthquakes can be used to study the structure of heterogeneities in the first few hundred kilometers inside the Earth. In this work, we use the scattered wavefield, which corresponds to energy arriving after the incident wavefield, to image the Earth. By nature, the scattered waves are linked to the scattering heterogeneities encountered along their propagation path, i.e. the fine scale structure of the Earth. Hence, the scattered wavefield has the ability to highlight structures where rapid velocity variations would otherwise be smoothed out by tomographic regularization, such as the structure of subducting slabs. To extract the information from the scattered wavefield, we resort to receiver function (RF) analysis and pre-stack depth migration. Standard migration procedures either rely on the assumption that underlying discontinuities are horizontal, such as in Common Conversion Point stacking (CCP), or are computationally expensive and usually limited to 2D geometries, such as in Reverse Time Migration (RTM) or Generalized Radon Transform (GRT). Here, we develop a Kirchhoff-type teleseismic imaging method that uses fast 3D travel-time calculations with minimal assumptions about the underlying structure. This provides high computational efficiency without limiting the problem to 1D or 2D geometries. In our method, we apply elastic Kirchhoff migration to transmitted and reflected teleseismic waves (i.e., RF). The approach expands on the work of Cheng et al. (2016). The 3D elastic Kirchhoff migration is adapted to the passive seismology scattering geometry and to account for free surface multiples. We use an Eikonal solver based on the fast marching method (FMM) to compute travel times for all scattered phases. 3D scattering patterns are computed to correct the amplitudes and polarities of the three component input signals. We consider three different stacking methods (linear, phase weighted and 2 nd root) to enhance the structures that are most coherent across scattering modes. To showcase the efficiency and accuracy of our migration procedure, we test it by conducting a series of synthetic tests in both artificially challenging and realistic scenarios. Results from synthetic tests show that our imaging principle can recover scattering structures accurately with minimal artifacts. We show that integrating the three components of the RF into the imaging principle allows to coherently retrieve the scattering potential for arbitrarily dipping discontinuities from all back-azimuths, and are able to retrieve a typical 2.5D subduction zone structure. We apply this novel 3D multi-mode Kirchhoff migration method to two different subduction zones, in Western Greece and Southern Alaska