La marge sud péruvienne est située au niveau d’une zone majeure de subduction océan continent depuis au moins le Paleozoique inférieur. C’est dans ce cadre que s’est formé l’un des plus importants orogènes du monde : les Andes Centrales. En effet, l’épaisseur crustale y est >60 km et ce sur une importante surface. Cependant, on considère actuellement que ce surrépaississement a été acquis incrémentalement seulement depuis ~30 Ma. Dans le but de comprendre comment et quand ce surrépaississement est apparu, la majeure partie des études précédentes s’est focalisée sur l’évolution de l’arc magmatique et sur l’histoire de la déformation, du soulèvement et de l’érosion de la zone d’arrière arc. Cependant, l’évolution tectonique et thermique de l’avant arc reste mal connue bien que cette zone soit susceptible de bien enregistrer les changements liés à la dynamique de subduction.Cette thèse à pour objectif de mieux contraindre l’évolution thermique et les couplages entre les processus magmatiques, tectoniques et sédimentaires depuis 200 Ma dans l’avant-arcactuel du sud du Pérou. De nouvelles données géo-thermochronologiques couplées à une nouvelle carte tecto-stratigraphique éclaircissent l’évolution de la marge péruvienne depuis le Jurassique. Trois périodes clefs sont analysées dans ce mémoire : le début de l’épaississement crustal, les déformations de l’avant-arc associées à la formation de l’Orocline bolivien et l’épaississement crustal de l’orogène des Andes Centrales pendant le Néogène.Nous montrons que l’épaississement crustal a probablement commencé entre 90 et 50Ma après plus de 200 Ma d’amincissement, et ce a la faveur d’une évolution en trois étapes :croissance initiale (90-74 Ma), « flare-up » (74-62 Ma) et effondrement extensionnel (62-50Ma). L’extension a ensuite prédominé dans l’avant-arc tout en diminuant progressivement jusqu’à ~30 Ma. Par ailleurs, nous mettons en évidence d’importantes zones de faillesnormales orientées perpendiculairement à la marge sud-péruvienne et qui délimitent de grands blocs basculés vers le nord-ouest. Ces déformations révèlent une extension parallèle à l’orogène dans l’avant arc pendant le Paléogène, probablement due à la formation de l’Orocline bolivien par rotation antihoraire de blocs rigides. Enfin, les traits géomorphiques visibles dans la zone cotiere du sud du Pérou permettent de définir deux périodes de soulèvement de la surface (entre 23 et 10 Ma et depuis ~4.5 Ma), séparées par une période de subsidence (entre ~10 et ~4.5 Ma). La même chronologie ayant été décrite sur le versant Amazonien de l’orogène, nous proposons que cette évolution soit due à des variations à grande échelle de l’épaisseur crustale ; le soulèvement de la surface étant provoqué par addition à la croûte de magma d’origine mantellique et la subsidence par un flux de matériel crustal ductile depuis les zones précédemment sur-épaissies. / The southern Peruvian margin has been located above a major ocean-continentsubduction zone since at least the Early Paleozoic, resulting in the formation of one of thelargest orogens in the world: the Central Andes, where crustal thickness is >60 km over a largearea. This overthickening is currently thought to have occurred incrementally only during thelast 30 Ma. To understand how and when crustal overthickening was acquired, most of theprevious studies have focused on the magmatic arc evolution and on deformation, uplift anderosion history of the backarc. The tectono-thermal Cenozoic evolution of the forearc remainspoorly known, whereas it is a zone prone to recording changes in subduction dynamics.The objective of this dissertation is to address the thermal evolution and the couplingbetween magmatic, tectonic and sedimentary processes over the past 200 Ma in the presentdayforearc of southern Peru where the crust thickens from ~30 km along the coastline tomore than 60 km under the present-day volcanic arc. New geo- and thermochronological datacoupled to a novel geological map illuminate the evolution of the south Peruvian margin sincethe Jurassic. Three key periods of the margin evolution are addressed in this dissertation: theonset of crustal thickening, the deformations associated in the forearc with the formation ofthe Bolivian Orocline and the Neogene crustal thickening of the Central Andean orogen.We show that crustal thickening likely began between 90 and ~50 Ma after more than200 My of lithospheric thinning during a three step evolution of the magmatic arc as follows:growth (90-74 Ma), flare-up (74-62 Ma), extensional collapse (62-50 Ma). Extension prevailedin the forearc since then and waned until ~30 Ma. In addition, we evidence important normalfault zones striking perpendicular to the southern Peruvian margin that delineate largenorthwestward tilted blocks. This deformation reveals orogen parallel extension in the forearcduring the Paleogene likely due to the formation of the Bolivian Orocline by counterclockwiserotation of rigid blocks. Finally, geomorphic features in the coastal area of southern Perureveal two periods of surface uplift (~23 to 10 Ma and since ~4.5 Ma), separated by a period ofsurface subsidence (from ~10 to ~4.5 Ma). The same chronology has been described on theAmazonian side of the Central Andean orogen. We thus propose that this evolution is due tolarge-scale crustal thickness variations; surface uplift being triggered by addition of mantlederivedmagmas to the crust and subsidence by ductile flow away from the previouslyoverthickened crust.

Comprendre comment s’initie une subduction au niveau d’une marge passive est un problème géodynamique majeur, mais il reste très débattu en raison des forces nécessaires pour provoquer la flexion de la plaque plongeante, et dépasser la résistance frictionnelle de la lithosphère pour localiser cette subduction. Formant la bordure sud de la Méditerranée Occidentale, la marge algérienne subit des conditions aux limites en compression en raison de la convergence Afrique-Eurasie à un taux de moins de 1 cm/an. Ce contexte favorise l’inversion de cette marge nord-africaine et possiblement le début d’une subduction. En effet, des données géophysiques récentes acquises dans le bassin algérien (campagnes de MARADJA, 2003, 2005 (MARge Active d’el Djazaïr) et SPIRAL 2009 (Sismique Profonde et Investigations Régionales en ALgérie) ont montré des indices de déformation compressive récente. Nous avons utilisé les profils SPIRAL afin de calculer l’état isostatique de la lithosphère au voisinage de la limite océan-continent. Ceci nous a permis d'imager un Moho trop profond dans le domaine océanique, et plus superficiel dans le domaine continental, de part et d'autre d'une limite située vers le pied de pente de cette marge, donc un déséquilibre isostatique général de la marge. Nos résultats indiquent que la marge algérienne montre les mêmes anomalies isostatiques qu’au niveau d'une marge active, avec une zone de découplage océan/continent située en pied de marge. Ces anomalies peuvent être interprétées par un mécanisme de flexure des deux lithosphères en présence, que l’on peut simuler ensuite par une modélisation en éléments finis d’une plaque mince élastique. / Understanding how subduction initiates at a passive margin is a major geodynamic question, which remains debatted because of the forces necessary to overcome bending and frictional resistance of the lithosphere and initiate this subduction. Along the southern shore of the Western Mediterranean Sea, the Algerian margin undergoes ~NS compression due to the African-Eurasian convergence at a rate of less than ~ 1 cm / year. This setting causes tectonic inversion of this North African passive margin and possibly incipient subduction. Indeed, recent geophysical marine data acquired in the Algerian Basin (MARADJA, 2003, 2005MARge Active d’el Djazaïr) and SPIRAL 2009 (Deep Seismic and Regional Investigations in Algeria campaigns) showed evidence of recent compressive deformation. We used SPIRAL wide-angle seismic profiles to determine the state of isostatic equilibrium at the vicinity of the continent-ocean boundary. This allowed us to image a too deep Moho in the oceanic part, and a too shallow one in the continental domain, with a boundary between both domains located at the margin toe. These results indicate that the Algerian margin display the same isostatic anomalies as an active margin. This isostatic disiquilibrium may be simulated by the flexural bending of two lithospheric plates that can be modelled by a finite element procedure. This modeling shows larger vertical deflection in the central part of the study area (6-7 km) compared to the earsternmost and westernmost profiles (3 km).

L’archipel volcanique actif du Vanuatu s’édifie au coeur du pacifique sud-ouest au niveau de la frontière convergente des plaques australienne et pacifique. Je présente ici une nouvelle étude géochimique des laves du Vanuatu à partir de la détermination des compositions en éléments majeurs et traces, et des compositions isotopiques (Sr-Nd-Hf-Pb) d’une centaine d’échantillons de laves (< 2 Ma).L’étude des magmas les plus primitifs a permis de mettre en évidence la variation de composition des sources mantelliques le long de l’arc et d’individualiser 3 segments : "central", dans la zone de collision de la ride D’Entrecasteaux, "sud" en face du bassin Nord Fidjien, et "extrême sud" en face du bassin Sud Fidjien. La composition des roches des différentes structures subductées influence celles des laves des volcans adjacents via le composant de subduction, sous forme de fluides et de produits de fusion. Les laves des îles situées en face de la ride D’Entrecasteaux sont issues d’un manteau enrichi ("type-MORB indien"), différent de celui échantillonné par les autres laves ("type-MORB pacifique"). Cette ride apporte probablement en subduction un composant ancien, pouvant être assimilé à un fragment de croûte inférieure.L’étude locale de certaines îles a permis de caractériser la différenciation des laves par cristallisation fractionnée, d’identifier des processus d’assimilation crustale, et de révéler la présence de magma provenant de portions de manteau distinctes, ayant subi un métasomatisme différent.Ces travaux révèlent une extrême hétérogénéité du manteau sous l’arc du Vanuatu, témoignant de la complexité des processus géologiques impliqués au niveau de cette zone de subduction. / The Vanuatu island arc is located in the SW Pacific at the convergent boundary between the Australian and Pacific plates. I present here a new geochemical study of the Vanuatu lavas based on major and trace element as well as isotopic (Sr-Nd-Hf-Pb) analyses of approximately one hundred lava samples (< 2 My).Examination of the most primitive magmas reveals the variation of the mantle source composition along the arc and demarcates three segments: a "central" segment in front the d’Entrecasteaux ridge, a "south" segment in front of the North Fiji Basin, and a "far south" segment in front of the South Fiji Basin. The composition of the different subducted basins highly influenced those of the adjacent volcanoes via mass transfer of aqueous fluid and melt subduction components. Lavas from islands facing the D'Entrecasteaux Ridge come from an enriched mantle (Indian MORB-like), distinct from that sampled at other islands (Pacific MORB-like). Additionally, this ridge likely carries with it an ancient component that may reflect entrainment of lower crust material.Localized study of some volcanic islands reveals processes related to the differentiation of lavas by fractional crystallization, processes related to crustal assimilation, and indicates the presence of magma coming from different portions of mantle with slightly different metasomatic histories.This body of work highlights extreme mantle heterogeneity under Vanuatu islands arc and testifies to the complex nature of its associated geological processes.

Résumé en français indisponible. / Mechanisms of volatile transfer from subducting slab to the melting region beneath arc volcanoes are probably the least understood process of arc magma genesis. Fluorine, which suffers minimum degassing in arc primitive melt inclusions, retains the information about the role of volatiles during magma genesis at depth. Experimentally determined solubility of F in aqueous fluid, and partition coefficients of F between fluid and minerals provide first order geochemical constraints about the volatile-transporting agent.My thesis experimentally determined F solubility in fluid and its partition coefficients among several phases. The systems are in equilibrium with hornblende and a humite group mineral (some contain melt or pyroxene) at 1 – 2 GPa, from 770 to 1047 °C, or equilibrium with hydrogrossular, pyroxene and norbergite or chondrodite at 2.5 – 3 GPa and 877 °C. The experiments were conducted with piston cylinder and cold sealing technique. The oxygen fugacity conditions were controlled by NNO buffer, while some were unbuffered. The fluids were extracted into volumetric flasks, and their compositions were determined by mass balance calculations. Moreover, the consistency was verified by HPLC for fluorine ion, and ICP-MS or ICP-AES for major cations of the quenched fluids.In 1 GPa experiments, the quench phases are so rare that the majority of the fluid compositions from direct analyses are consistent with mass balance results in their uncertainties. Moreover, my mass balance procedure takes into account all the measurements errors, which leads to large uncertainties on fluid compositions. The consistency demonstrates that most of fluorine aflter annealing in the capsule is present as fluorine ion. Futhermore, increases of the masses of starting materials, fluid proportions and analytical precisions will improve the uncertainties performances. ������������ can be represented by a single value 0.135 ± 0.036, which is independent of temperature, bulk composition and buffer conditions at 1 GPa. Df between fluid and humite group minerals is much less. Xf of hornblende and norbergite decrease from 1 to 2 GPa, while F partitionig between them doesn't change much. It indicates that F partitioning between fluid and minerals increases. Moreover, F concentrations in norbergite between NNO buffered and unbuffered experiments are significantly different. Meanwhile, Fe concentration variations of norbergite indicate that unbeffered experiments have higher oxygen fugacity than the NNO buffered ones. According to high temperature improves the free radical exchange reactions, H2O + 0.5O2 ⇄ 2OH. It indicates that both water fugacity and oxygen fugacity contribute to OH fugacity in fluid. I developed a simple model in which XF in humite group minerals are correlated to the ratio between F and OH. It is sucessfully applied to estimate the F concentration in the fluid, which co-exists with clinohumite, using Xf value.With the knowledge of my study, a new constraint can be framed on slab flux. The average F concentration in the fluid is 2700 ppm for F-rich experiments and it constrains the maximum amount of F carried by fluid in the presence of amphibole. Using partition coefficient of F to estimate F abundance in subducting slab, one can conclude that the increase of F concentration in the subarc mantle by fluid, in equilibrium with hornblende, to be less tan 5 ppm. Significant F enrichments found in arc lavas cannot be derived from aqueous fluid of subductiong slab in the presence of amphibole. Therefore, this result highlights the role either 1) slab melt, 2) fluid in equilibrium with eclogite, or perhaps 3) supercritical fluid for the element transfer from slab to mantle wedge.

Le sujet de cette thèse est l'hydrodynamique de corps minces (feuilles) et élancés (filamenteux) de fluide visqueux immergés dans un second fluide ayant une viscosité différente. Nous nous concentrons sur deux exemples : la subduction de la lithosphère océanique et le flambage de fils visqueux dans microcanaux divergents, les deux ont un nombre de Reynolds caractéristique Re<<1. Pour le cas de la subduction d'une feuille mince, nous proposons une hybride méthode «boundary integral & thin sheet» (BITS). Après la validation en comparant ses prévisions avec celles de la boundary-element méthode, deux solutions instantanées et dépendant du temps sont effectués pour analyser la subduction avec la méthode BITS. L'analyse à l'échelle de la vitesse d'immersion normalisée en fonction de «la rigidité en flexion» de la feuille est confirmée par nos prédictions numériques. Pour des rapports de viscosité modérée (≈100), la feuille amincit sensiblement quand elle coule, mais pas assez pour conduire à la «rupture de la dalle» que l'on observe dans plusieurs zones de subduction sur Terre. Ensuite, le code BLEU parallèle pour écoulements polyphasiques est utilisé à simuler pliage visqueux tridimensionnel dans des microcanaux divergent. Nous avons réalisé une étude paramétrique comprenant cinq simulations dans lequel le rapport de débit volumétrique, le rapport de viscosité, le nombre de Reynolds, et la forme de la chaîne ont été modifiées par rapport à un modèle de référence. Le fil devient instable à une instabilité de pliage en raison de la contrainte de compression longitudinale. L'axe de pliage initial peut être parallèle ou perpendiculaire à la dimension étroite de la chambre. Dans le premier cas, le pliage transforme lentement au pliage perpendiculaire au moyen d'une torsion, ou peut disparaître totalement. / The hydrodynamics of thin (sheet-like) and slender (filamentary) bodies of viscous fluid immersed in a second fluid with a different viscosity is studied. Here we focuses on two examples: the subduction of oceanic lithosphere and the buckling of viscous threads in diverging microchannels, both have a characteristic Reynolds number Re<<1. A hybrid boundary integral & thin sheet method (BITS) is build for the subduction of 2D immersed sheet. After the validation by comparing with the results of full boundary elements method, both instantaneous and time-dependant soloutions are done to analyze the subduction with the BITS method. The scaling analysis of the normalized sinking speed V/V_Stokes as a function of the sheet's 'flexural stiffness' is confirmed by our numerical predictions. For moderate viscosity ratios (≈100), the sheet thins substantially as it sinks, but not enough to lead to the ‘slab breakoff’ that is observed in several subduction zones on Earth. Next, the parallel code BLUE for multi-phases flows is used to simulate the 3-dimensional viscous folding in diverging microchannels. We performed a parameter study comprising five simulations in which the flow rate ratio, the viscosity ratio, the Reynolds number, and the shape of the channel were varied relative to a reference model. The thread becomes unstable to a folding instability due to the longitudinal compressive stress. The initial folding axis can be either parallel or perpendicular to the narrow dimension of the chamber. In the former case, the folding slowly transforms via twisting to perpendicular folding , or may disappear totally.

La zone de subduction Hellénique, en Méditerranée orientale, est caractérisée par le taux de sismicité le plus important d’Europe. Des séismes de forte magnitude (Mw 7,5-8) ont eu lieu le long du segment Sud-Ouest de la zone de subduction Hellénique, au large du Péloponnèse, au cours du 19ème et 20ème siècle. Ce segment de 400 km de long a également été le lieu de nucléation du plus important séisme d’Europe, en 365 ap J.C, avec une magnitude supérieure à 8, ayant entraîné un tsunami dévastateur. Deux principaux modèles scientifiques s’opposent sur la question du couplage sismique de l’interface de subduction, allant d’un couplage sismique total au niveau de l’interface, à l’hypothèse opposée d’un couplage quasi inexistant. Cependant, ces modèles opposés considèrent des géométries approximatives et parfois extrêmes, fautes de contraintes disponibles sur la structure et la géométrie de l’interplaque sous l’avant-arc dans cette zone. La localisation de la faille responsable du séisme de 365 ap J.C est également débattue, en l’absence de données géophysiques permettant d’identifier les interfaces potentiellement responsables de cet événement dévastateur. La faille de méga-chevauchement et le domaine avant-arc du segment Sud-Ouest de l’arc Hellénique ont été l’objet d’étude de la campagne océanographique Ulysse en Novembre 2012 afin de déterminer la géométrie des structures et unités majeures dans cette portion de la zone de subduction, mais également d’apporter un éclairage sur la tectonique récente qui affecte cette zone / The Hellenic subduction zone, in the eastern part of the Mediterranean sea, is characterized by the highest rate of current seismicity in Europe. In the southwestern segment, several earthquakes of large magnitude (Mw 7,5-8) occured a the turn of the 19th to 20th century. This segment of 400 km long, has also been the nucleation site of the largest historical earthquake in Europe, named the 365 AD earthquake, with a magnitude of Mw 8. This event generates a devastating tsunami, which spread along the Adriactic Sea and in the Nile Delta region. Two main models differ about the interplate seismic coupling question in this region, from a total seismic coupling at the interplate, at the opposite assumption of a very weak seismic coupling. However, these opposing models consider an approximate geometry, mostly because of the lack of information available on the geometry and the localization of the interplate in this region of the forearc domain. The localization of the fault responsible of the 365 AD event is also debated, because, there is no available data who provides imagery of the interfaces potentially responsible of this devastating earthquake. The megathrust fault and the forearc domain of the southwestern segment of the Hellenic subduction zone has been the target of the Ulysse marine survey in November 2012. The aim of this survey was to provide information of the structural geometry of the main units in this part of the subduction zone, and to bring information on the recent tectonic activity in this region

Quand et comment le Plateau Tibétain s'est édifié demeure une question complexe, aux nombreuses implications pour la compréhension du comportement des lithosphères continentales en collision. Certains modèles mettent en avant l'importance du sous-plaquage de la lithosphère indienne et d'un épaississement localisé aux limites de micro-plaques asiatiques rigides ; tandis que d'autres considèrent au contraire que la lithosphère asiatique est peu résistante et se déforme de manière distribuée. La base croissante de données de haute qualité documentant les processus de surface et les processus profonds doit à présent être intégrée afin de contraindre les différents modèles d'évolution du Plateau. Ce travail de thèse se concentre sur le nord-est du bloc du Qiangtang, au Tibet Central : alors qu'elle constitue un élément clé pour les reconstructions et les modèles, cette région demeure l'une des moins étudiées de la zone de collision. Dans une première partie, l'acquisition de nouveaux âges 40Ar/39Ar de la déformation tardi-triasique (215-200 Ma) sur la suture de Jinsha, ainsi que la datation et l'étude métamorphique de xénolites crustales à corindon d'âge Trias Inférieur (249 Ma) échantillonnées dans des laves éocènes, mettent en évidence le rôle majeur et sous-estimé des subductions mésozoïques dans l'épaississement crustal total. Les résultats suggèrent que la région avait atteint, avant le début de l'Éocène, une épaisseur crustale de l'ordre de 45 à 55 km, soit près de 80% de son épaisseur actuelle de 66 km. Cet épaississement crustal mésozoique fut probablement en grande partie la conséquence du magmatisme d'arc du NE-Qiangtang, lié à 80 Ma de subductions océaniques à ses bordures. Ces nterprétations sont cohérentes avec les données régionales d'émersion et de paléoaltitude entre le Trias et l'Éocène. Dans une seconde partie, l'étude pétrologique et géochimique de roches magmatiques d'âge Éocène des bassins de Xialaxiu et de Nangqian suggère un intense métasomatisme du manteau lithosphérique source par des fluides ou magmas riches en H2O et en CO2. Ces résultats servent de point de départ à une série de modèles rhéologiques et thermomécaniques visant à caractériser le comportement d'une telle lithosphère dans un contexte de convergence continentale. Nous montrons que le manteau lithosphérique sous notre région d'étude à l'Éocène était à la fois très peu résistant (logmin~2.3), très peu dense (~3310 kg/m3 à 2 GPa), et possédait un solidus fortement défléchi vers les basses températures aux moyennes pressions mantelliques (~930°C à 3 GPa). À partir de ces caractéristiques, les modèles thermo-mécaniques laissent envisager un régime atypique de déformation et de fusion partielle, par l'injection de manteau lithosphérique métasomatisé dans l'asthénosphère sous-jacente. Celui-ci reproduit correctement l'intervalle de temps et la distance entre les épisodes magmatiques de Xialaxiu et de Nangqian, ainsi que la magnitude de l'épaississement crustal dans notre région d'étude, sans impliquer de délamination de la racine lithosphérique adoucie. Ces résultats nous amènent à proposer un réexamen des données géophysiques disponibles sur le manteau lithosphérique tibétain, dans lequel la zone de faibles vitesses sismiques imagée à l'aplomb du Tibet Central pourrait être interprétée en terme d'anomalie chimique et minéralogique, et non d'anomalie thermique. / How and when the Tibetan Plateau was built remains a complicated issue, with many implications for our understanding of the behaviour of colliding continental lithospheres. Some models highlight the importance of the underthrusting of the Indian lithosphere and of localized thickening at the edges of rigid Asian microplates ; while others consider that the Asian lithosphere is weak and deforms in a distributed manner. The growing, high-quality database documenting deep and surface processes has now to be integrated in order to constrain the different evolution models of the Plateau.This thesis work focuses on the north-eastern Qiangtang block in Central Tibet : although it is a keystone for reconstructions and models, this region remains one of the least studied of the collision zone.In a first part, new 40Ar/39Ar dating of the Late Triassic (215-200 Ma) deformation on the Jinsha suture, along with a metamorphic study of Early Triassic (249 Ma) corundum-bearing crustal xenoliths sampled in Eocene magmatic rocks, shed light on the the major, but underestimated role played by the Mesozoic subductions in bulk crustal thickening. Our results suggest that prior to the Eocene, our study area had reached a crustal thickness of 45-55 km, i.e 80% of its present-day crustal thickness of 66 km. This Mesozoic crustal thickening was likely achieved by continental arc magmatism related to the 80 Ma of continuous oceanic subductions on both edges of the NE-Qiangtang terrane.These interpretations are consistent with the regional emersion and paleo-altitude data.In a second part, a petrological and geochemical study of Eocene magmatic rocksfrom the Nangqian and Xialaxiu basins suggests an intense metasomatism of the source lithospheric mantle by H2O- and CO2-rich fluids or melts. These results are used as a starting point for a series of rheological and thermo-mechanical models, to characterize the behaviour of such lithosphere in a continental convergence context. We show that the lithospheric mantle underlying our study area in the Eocene was particularly weak (logmin~2.3) and buoyant (~3310 kg/m3 à 2 GPa), and its solidus was deflected to low temperatures at medium mantle pressures (~930°C à 3 GPa). From these characteristics, thermo-mechanical models forecast an atypical deformational and partial melting regime, through the injection of metasomatized lithospheric mantle into the asthenosphere, whichadequately reproduces the timing and location of Xialaxiu and Nangqian magmatic events, and the magnitude of crustal thickening observed in our study area, without any delamination of the weakened lithospheric root.This eventually leads us to reconsider the available geophysical data for the Tibetan lithospheric mantle : the low-velocity zone imaged beneath Central Tibet could indeed represent a geochemical, rather than thermal anomaly.

Subduction zones, such as the Andean convergent margin, are the sites at which new continental crust is generated, and where subducting material is either recycled to the crust via arc magmatism or transferred to the deep mantle. The composition of arc magmas and associated new continental crust reflects variable contributions from mantle, crustal and subducted reservoirs. Insights into crustal growth and recycling processes in the southern Central Andes, specifically in the Pampean flat-slab segment, have been gained by utilising a range of petrological, geochronological and geochemical techniques. These techniques have been applied to a suite of Late Cretaceous (~73 Ma) to Late Miocene (~6 Ma) intrusive (granitoids) and extrusive (basalts to rhyolites) arc rocks collected from an east - west transect across the Andean Cordillera. The oxygen and hafnium isotopic composition of the accessory mineral zircon allows mantle-derived melts contaminated with older, upper continental crustal to be identified. Boron isotopic compositions of melt inclusions, combined with concentrations of certain incompatible trace elements, can be used to assess the source and influence of fluids derived from subducting material on the melt source region. The southern Central Andes provides a particularly interesting area to study these processes as the thickness of the continental crust has increased significantly over the course of the Cenozoic (from ~35 km to >50 km) and the angle of the subducting Nazca plate has shallowed since ~18 Ma, causing the position of the volcanic arc to migrate to the east. In order to unravel the complexities involved with constraining the contributions to arc magmas at an active continental margin, a range of geochronological, geochemical, and geothermobarometric techniques, including high resolution, micro-analysis of mineral phases and melt inclusions, have been applied. High resolution, U-Pb dating of magmatic zircon has improved regional stratigraphy in the Pampean flat-slab segment (between ~29 and 32 °S) and provided an accurate temporal constraint for geochemical and geothermobarometric data. The results of in-situ O and Lu-Hf isotope analysis of zircon show both distinct temporal and spatial variations across the Andean arc. The observed isotopic variability is attributed to variable contamination of mantle-derived melts with distinct Andean basement terranes, which vary east – west in composition and age. ‘Mantle-like’ δ18O(zircon) values, juvenile initial ƐHf(zircon) values and a lack of inherited, xenocrystic zircon cores, suggests the Late Cretaceous (~73 Ma) to Eocene (~39 Ma) plutons located in the Principal Cordillera of Chile, experienced very little interaction with the upper continental crust. Amphibole – plagioclase geothermobarometry indicates these calc-alkaline granitoids, which form extensive north – south trending belts, were emplaced at shallow depths in the crust (~4 – 5 km). Therefore the Late Cretaceous to Late Eocene is interpreted as a period of significant upper crustal growth. The isotopic variability in the Late Oligocene (~26 Ma) to Late Miocene (~6 Ma) arc magmatic rocks demonstrates that during thickening of the continental crust and migration of the Andean arc to the east, arc magmas assimilated Late Paleozoic to Early Mesozoic basement. In addition, arc magmas erupted/emplaced in the Argentinean Precordillera (i.e. farthest east from the trench) assimilated a Grenville-aged (~ 1330 – 1030 Ma) basement. The youngest arc magmas (~6 Ma) erupted in the Frontal Cordillera also show evidence for the assimilation of this ancient basement terrane, potentially signalling under-thrusting beneath the Frontal Cordillera. Overall, the later part of the Cenozoic represents a period of crustal reworking. Boron concentrations and isotope ratios measured in pyroxene hosted melt inclusions and for the first time in zircon hosted melt inclusions, are higher than the values expected for the mantle wedge and show significant variations with time. The source of the Paleocene (~61 Ma) arc magmas were influenced by fluids primarily derived from altered oceanic crust. Lower δ11B values and boron concentrations obtained for Oligocene (25 – 23 Ma) arc magmatic rocks reflects a diminished influence of slab-derived fluids reflecting a greater depth to the top of the slab. Fluids derived from serpentinite influenced the source of the arc magmas after ~19.5 Ma. This has been linked with the intersection of the Juan Fernández Ridge, a volcanic seamount chain associated with hydrated and serpentinised oceanic lithosphere.

L'approche scientifique a consisté en la combinaison de trois différentes méthodes de modélisation (analogique, semi analytique et numérique) afin de contraindre la rhéologie qui régit la déformation de la lithosphère et les flux mantelliques associés au niveau des zones de subduction. Par l'étroite confrontation des prédictions (modèles) et les observations disponibles (données sismologiques pour l'essentiel), j'apporte de nouvelles contraintes sur le devenir d'une lithosphère en subduction dans le manteau, couplées avec une précision sur la structuration du manteau. Les résultats des modèles au regard des données géophysiques prédisent une lithosphère faiblement visqueuse (le rapport de viscosité entre la lithosphère et le manteau ne saurait excéder 100) qui atteint lors de sa descente dans le manteau la forme spécifique d'une méduse. Ce résultat majeur apporte une nouvelle interprétation sur l'origine des épanchements de lithosphère dans le manteau profond et une précision sur la stratification entre le manteau supérieur et le manteau inférieur faible pour permettre ainsi la pénétration de la lithosphère dans le manteau inférieur. Cette étude apporte de nouvelles données sur la compréhension de l'interaction entre le flux mantellique et la lithosphère.

Advances in seismology allow us to obtain "high-resolution" images of the Earth's subsurface. This dissertation summarizes the results of three seismic studies on three different continents, with the aim of better understanding the crust and upper mantle structure of seemingly disparate yet ultimately related regions. The seismic techniques of Pn tomography and P-wave receiver function (RF) analysis are applied to central Turkey (Pn tomography), western Argentina and southwestern Wyoming, USA (RF analysis). These studies look at both a present-day convergent margin (Andean subduction zone, Argentina) and two ancient ones (Bitlis-Zagros collision zone of Arabia-Africa with Eurasia, Turkey; Farallon subduction zone, Wyoming).Using Pn tomography, we were able to detect the limit of the slab rupture edge along the Central Anatolian Fault Zone, Turkey. Slab break-off is an important process that modifies the mantle in tectonically active regions, and the limit of the oceanic Arabian slab break-off along the Bitlis-Zagros Suture Zone, thought to have begun at 11 Ma, was previously undetermined.Using RF analysis, we obtained high-resolution images of the subducting slab beneath the Sierras Pampeanas, Argentina. Continental Moho contours roughly follow terrane boundaries, suggesting that ancient terranes continue to exert control over present-day continental deformation. Overthickened oceanic crust is often cited as a cause of flat slab subduction; our RF results indicate that the crust is moderately overthickened, around 11-16 km. Further, we image offsets in the RF arrivals that indicate the subducted slab is broken or offset in along trench-subparallel fractures.The crustal structure beneath southwestern Wyoming, the location of ancient Farallon flat slab subduction, was studied using RF analysis. Looking at regional crustal structure, results include a new depth to Moho map. Coherency of the seismic signal across the dense LaBarge array (55 stations, ~250 m spacing) was investigated, with results showing that complicated shallow structure can greatly impact the resulting RF signal. Modeling of RFs using synthetics helped to separate the complex signal containing multiple primary conversions and their reverberations, which interact constructively and destructively. The dense spacing of the LaBarge array allowed unique opportunities to investigate coherency of waveforms across very short distances.