Les serpentinites sont un composant important de la lithosphère océanique formée niveau de rides lentes à ultra-lentes. Ces roches représentant un vaste réservoir de l'eau, d'éléments mobiles dans les fluides (FME), halogènes et volatils, il a été proposé qu'elles jouent un rôle important pendant l'échange chimique se produisant entre la lithosphère subduite et le coin mantellique dans des zones de subduction. L'objectif de mon doctorat a été de caractériser la nature et la composition des fluides transférés depuis la plaque plongeante jusqu'au coin mantellique en étudiant des ophiolites alpines métamorphiques. Celles-ci se composent en grande partie de serpentinites et ont enregistré différentes conditions métamorphiques modélisant un gradient de subduction. Les études pétrologiques des ophiolites alpines montrent que celles-ci ont enregistré différentes étapes de serpentinisation et de déserpentinisation : (1) serpentinisation océanique et la formation d'assemblages à lizardite et à chrysotile ; (2) déstabilisation prograde de la serpentine océanique en antigorite, à la transition des faciès schistes verts - schistes bleus ; (3)déshydratation de l'antigorite en olivine secondaire dans les conditions du facies d'éclogite. Les analyses chimiques des éléments en trace par LA-ICPMS et constituants volatils et halogènes par SIMS prouvent que, pendant la subduction, les processus de serpentinisation se sont réalisés sans contamination significative par des fluides externes provenant de la déshydratation des sédiments. Dans la partie la superficielle de la lithosphère océanique, la déformation augmente la mobilité des éléments en trace et permet leur redistribution et l'homogénéisation de la composition d'antigorite à l'échelle kilométrique. Au contraire, dans la partie la plus profonde de la lithosphère serpentinisée, la mobilité des éléments en trace est réduite et localisée dans des veines métamorphiques qui constituent des chenaux de circulation des fluides. Les cristallisations successives de l'antigorite et de l'olivine secondaire sont accompagnés d'une diminution des concentrations en FME (B, Li, As, Sb, Ba, Rb, Cs...), halogènes (F, Cl) et volatils (S). La quantification de Fe3+/FeTotal, par chimie humide et spectroscopie XANES, des serpentinites et serpentines montrent que, dans les premières phases de subduction, la transition de lizardite en antigorite est accompagnée d'une réduction forte du fer. Cette réduction est non linéaire avec le degré métamorphique, mais dépend également de la chimie initiale du protolithe péridotitique. À un degré métamorphique plus élevée, le début du processus de déserpentinisation se produit dans un environnement ferreux, menant à une nouvelle oxydation de l'antigorite résiduelle. En conclusion, les serpentinites sont un vecteur de transfert d'éléments depuis la ride jusqu'aux zones de subduction. Pendant la subduction et pendant les changements de phases de la serpentine, les teneurs en FME, en éléments volatils et halogènes de la serpentine diminuent, suggérant que ces éléments sont soustraits dans une phase fluide qui peut potentiellement contaminer le coin mantellique. La nature de ce fluide varie au cours de la subduction. Dans les premiers kilomètres de la subduction, lors de la transition lizardite vers antigorite, les fluides relâchés sont riches en FME, volatils et halogènes. Ils pourraient oxyder le coin mantellique (e.g. SOX, H2O ou CO2) où ils initieraient la cristallisation d'une serpentine riche en ces éléments. A l'inverse, à plus grande profondeur, la déshydratation de l'antigorite libère une quantité moindre de FME, volatils et halogènes. De plus, l'observation d'antigorite riche en Fe3+ associée à l'olivine de déserpentinisation pourrait suggérer la production d'hydrogène lors de la déshydratation de la plaque plongeante.

The thermal structure of subduction zones depends on the age-controlled thermal state of the subducting slab and mantle wedge flow. Observations indicate that the shallow part of the forearc mantle wedge is stagnant and the slab-mantle interface is weakened. In this dissertation, the role of the interface strength in controlling mantle wedge flow, thermal structure, and a wide range of subduction zone processes is investigated through two-dimensional finite-element modelling and a global synthesis of geological and geophysical observations. The model reveals that the strong temperature-dependence of the mantle strength always results in full slab-mantle decoupling along the weakened part of the interface and hence complete stagnation of the overlying mantle. The interface immediately downdip of the zone of decoupling is fully coupled, and the overlying mantle is driven to flow at a rate compatible with the subduction rate. The sharpness of the transition from decoupling to coupling depends on the rheology assumed and increases with the nonlinearity of the flow system. This bimodal behaviour of the wedge flow gives rise to a strong thermal contrast between the cold stagnant and hot flowing parts of the mantle wedge. The maximum depth of decoupling (MDD) thus dictates the thermal regime of the forearc. Observed surface heat flow patterns and petrologically and geochemically estimated mantle wedge temperatures beneath the volcanic arc require an MDD of 70-80 km in most, if not all, subduction zones regardless of their thermal regime of the slab. The common MDD of 70-80 km explains the observed systematic variations of the petrologic, seismological, and volcanic processes with the thermal state of the slab and thus explains the rich diversity of subduction zones in a unified fashion. Models for warm-slab subduction zones such as Cascadia and Nankai predict shallow dehydration of the slab beneath the cold stagnant part of the mantle wedge, which provides ample fluid for mantle wedge serpentinization in the forearc but little fluid for melt generation beneath the arc. In contrast, models for colder-slab subduction zones such as NE Japan and Kamchatka predict deeper dehydration, which provides greater fluid supply for melt generation beneath the arc and allows deeper occurrence of intraslab earthquakes but less fluid for forearc mantle wedge serpentinization. The common MDD also explains the intriguing uniform configuration of subduction zones, that is, the volcanic arc always tends to be situated where the slab is at about 100 km depth. The sudden onset of mantle wedge flow downdip of the common MDD overshadows the thermal effect of the slab, and the resultant thermal field and slab dehydration control the location of the volcanic arc. The recognition of the fundamental importance of the MDD has important implications to the study of geodynamics and earthquake hazard in subduction zones.

La sismicité sous la mer Tyrrhénienne méridionale et le sud de l'Italie est essentiellement attribuée à la subduction de la lithosphère océanique Ionienne qui s'enfonce dans le manteau Tyrrhénien jusqu'à 500 km de profondeur. Les tomographies proposées à ce jour n'ont pas une résolution suffisante pour distinguer les différentes structures géologiques à grande profondeur, laissant donc encore de nombreuses questions ouvertes concernant la géodynamique régionale. Dans ce travail on a en développé des aspects méthodologiques qui mettent en œuvre une nouvelle technique de post-processing appelée WAM (Weighted Average Model). Cette méthode nous a permis d' obtenir des modèles de vitesse à haute résolution de la région sud Tyrrhénienne en réalisant une tomographie sismique 3D des ondes P et S. Avec WAM on a ainsi pu reconstruire la géométrie 3D du slab Ionien et proposer un nouveau scenario géodynamique pour la région basé sur de considérations pétrologiques.

Les séismes intermédiaires (40-325 km de profondeur) ont été largement documentés dans les plaques océanique en subduction mais leur mécanismes déclencheurs restent énigmatiques et très peu compris en raison (I) des incertitudes instrumentales sur l'acquisition des données géophysiques et (II) de la rareté des exemples de roches métamorphisées dans des conditions du faciès éclogites et préservant (sans ambiguïté) les structures produites par des séismes intermédiaires. Bien que toujours limité, il y a de plus en plus de preuves que les lambeaux « fossiles » de lithosphère océanique exhumée de taille pluri-kilométrique peuvent enregistrer les processus chimiques et mécaniques caractéristiques de la sismicité de profondeur intermédiaire. Ce projet de doctorat étudie l'impact de la libération et de l'infiltration des fluides métamorphiques sur la génération des brèches éclogitiques disséminées dans une zone de cisaillement de 15 km de long, exposée dans un fragment presqu’intact de lithosphère océanique Tethysienne, subduite jusqu'à 80 km de profondeur (2.6 GPa - 550 ° C, unité du Lago Superiore): le complexe métaophiolitique du Mont Viso (W Alps, Italie). Trois zones de cisaillement majeures ont été étudiées, et en particulier la Lower Shear Zone (LSZ), dans laquelle des blocs de métagabbros mylonitiques éclogitisés et brechifiés (potentiellement lors d’une phase sismique) sont dispersés, avec des blocs métasédimentaires, dans la matrice serpentineuse de la zone de cisaillement.Dans cette dernière zone de cisaillement, une attention particulière a été portée à la caractérisation pétrologique et structurale de 196 blocs exhibant ces brèches (dans lesquels plus de 100 échantillons ont été récoltés), notamment à travers l’étude (i) de leur répartition dans la zone de cisaillement et (ii) de leurs caractéristiques morphologiques (longueur, largeur, hauteur, volumétrie relative de la matrice par rapport aux clastes et nature des clastes). Ces données ont été synthétisées dans une nouvelle carte géologique détaillée des méta-ophiolites du Mont Viso à l’échelle 1 : 20.000. L’étude pétro-structurale a permis de montrer que la formation des brèches résulte de passages transitoires de la déformation ductile à cassante dans le faciès éclogitique, comme le montre la foliation mylonitique dues métagabbros (composée de l’assemblage omphacite + rutile ± grenat et quartz) recoupé par des plans de brèches cimentées par des matrices riches en omphacite ± grenat et lawsonite. Elle montre également que la formation des brèches n'est pas liée à des événements pré-alpins (brèches sédimentaires ou tectoniques superficielles) comme d’autres auteurs l’ont proposé (Balestro et al. 2013; Festa et al. 2015). L'analyse des éléments en trace (in-situ et dans la roche totale), en lien avec une caractérisation rigoureuse des microstructures dans les blocs de brèches, a permis de mettre en évidence un changement progressif des fluides circulant pendant la bréchification. Les premières ruptures fragiles (locales, M1) ont été déclenchées par des fluides dérivés localement (e.g. metagabbros) avec une injection progressive de fluides «exotiques» (dérivés de la déshydratation de serpentinite) provoquant la bréchification dans l'intégralité des LSZ and ISZ (avec la cristallisation de M2 et M3). En raison de l'extension limitée des affleurements, l'origine sismique des brèches eclogitiques reste spéculative. Néanmoins, plusieurs preuves (par exemple, les minéraux fracturés et décalés le long des niveaux micrométriques riches en omphacite) suggèrent que les brèches d'eclogite du Monviso ont été générées par rupture fragile instantanée. / Intermediate-depth earthquakes (40-325 km depth) have been extensively documented within subducting oceanic slab but their triggering mechanisms remain enigmatic due to (I) the instrumental uncertainties on geophysical data acquisition and (II) the scarcity of examples of exhumed (and unambiguously recognized) eclogite-facies earthquake-derived rocks. Although still limited, there is growing evidence that large-scale, “fossil” exhumed portions of subducted lithosphere may record both chemical and mechanical processes operating in the depth range of intermediate-depth seismicity. This thesis project investigates the role of metamorphic fluids in the formation of the eclogitic breccias (resulting from potentially seismic deformation) found in a 15 km-long shear zone developed in an almost intact fragment of Tethyan oceanic lithosphere metamorphosed to eclogite-facies peak metamorphic conditions (2.6 GPa - 550 °C) during Alpine subduction: the Monviso metaophiolite complex (W. Alps). Three major shear zones cutting across the complex at low angle were studied, with a major focus on the Lower Shear Zone -LSZ-, where blocks of variably brecciated (and potentially seismically-derived) Fe-Ti and Mg-Al metagabbros are embedded, together with metasedimentary blocks, in a talc and tremolite-rich serpentinite matrix. Particular attention was paid to the petrological and structural characterization of 196 breccia blocks (in which more than 100 samples were collected), with (i) detailed analysis and mapping of their distribution in the LSZ and (ii) morphological characterization (block size, relative volume of matrix with respect to clasts and matrix-clast composition). These data have been synthesized in a new detailed geological map of Monviso meta-ophiolite at a scale of 1: 20,000. The mylonitic foliation of intact Mg-Al-rich metagabbros (composed of omphacite + rutile ± ex-lawsonite ± quartz and locally garnet) cut by breccia planes (cemented by omphacite + garnet ± ex-lawsonite) univocally indicates brecciation at eclogite facies conditions. In the breccias the occurrence of a first omphacite-rich matrix (M1) cut by a second matrix rich in garnet + lawsonite pseudomorphs (M2) witnesses multiple brittle rupture events (probably shortly spaced in time) prior to a stage of massive eclogite facies fluid ingression (matrix M3). Trace elements analysis (in-situ and bulk) coupled to rigorous microstructural characterization of samples suggest a progressive change of fluids circulating during the brecciation. First brittle event M1 was triggered by locally-buffered fluids (e.g., from metagabbros) with later ingression of “exotic” fluids (e.g., from serpentinites) triggering the brecciation events M2 and M3. Due to the limited extension of outcrops, the coseismic origin of the eclogitic breccia remains somehow speculative; nevertheless several evidences (e.g., minerals fractured and offset along omphacite-bearing planes) suggest that Monviso eclogite breccias were generated by instantaneous brittle rupture.

xv, 136 p. : ill. (some col.) / The Pacific Northwest of the United States has been tectonically and magmatically active with the accretion of the Farallon oceanic terrane "Siletzia" ∼50 Ma. The accretion of Siletzia terminated the flat-slab subduction of the Farallon slab and initiated the Cascadia subduction zone. In this dissertation, I focus on both the large-scale tectonic structures preserved seismically in the crust and upper mantle, and the small-scale, short-term aseismic processes on the plate interface. I measure the shear-wave splitting trends around eastern Oregon with a dataset of ∼200 seismometers from 2006-2008 to analyze the upper-mantle anisotropy. The delay times between splitted shear-waves range from 0.8 s to 2.7 s. In the High Lava Plains, the fast polarization direction is approximately E-W with average delay time ∼1.8 s. I infer that there must be significant active flow in a roughly E-W direction in the asthenosphere beneath this area. The splitting pattern is more variable and complicated in NE Oregon, where the crust and mantle lithosphere may be a significant contribution. In terms of the imaged seismic velocity structures, I infer that the Eocene sedimentary basins in south-central Washington lie above a magmatically underplated crust of extended Siletzia lithosphere. Siletzia thrusts under the pre-accretion forearc, and its southeast termination is especially strong and sharp southeast of the Klamath-Blue Mountains gravity lineament. Magmatic intrusion has increased upper crustal velocity as in the less active Washington Cascades, but the higher temperatures beneath the magmatically active Oregon Cascades have a dominating effect. To better understand the physical mechanism of slow slip events on the plate interface, I explore the scaling relationships of various source parameters collected mainly from subduction zones worldwide and also other tectonic environments. The source parameter scaling relationships of slow slip events highlight the similarities and differences between slow slip phenomena and earthquakes. These relationships hold implications for the degree of heterogeneity and fault healing characteristics. The recurrence statistics of northern Cascadia events behave weakly time predictable and moderately anti-slip predictable, which may indicate healing between events. This dissertation includes co-authored materials both previously published and submitted for publication. / Committee in charge: Eugene Humphreys, Chairperson; David Schmidt, Member; Ray Weldon, Member; James Isenberg, Outside Member

abstract: Shallow earthquakes in the upper part of the overriding plate of subduction zones can be devastating due to their proximity to population centers despite the smaller rupture extents than commonly occur on subduction megathrusts that produce the largest earthquakes. Damaging effects can be greater in volcanic arcs like Java because ground shaking is amplified by surficial deposits of uncompacted volcaniclastic sediments. Identifying the upper-plate structures and their potential hazards is key for minimizing the dangers they pose. In particular, the knowledge of the regional stress field and deformation pattern in this region will help us to better understand how subduction and collision affects deformation in this part of the overriding plate. The majority of the upper plate deformation studies have been focused on the deformation in the main thrusts of the fore-arc region. Study of deformation within volcanic arc is limited despite the associated earthquake hazards. In this study, I use maps of active upper-plate structures, earthquake moment tensor data and stress orientation deduced from volcano morphology analysis to characterize the strain field of Java arc. In addition, I use sandbox analog modeling to evaluate the mechanical factors that may be important in controlling deformation. My field- and remotely-based mapping of active faults and folds, supplemented by results from my paleoseismic studies and physical models of the system, suggest that Java’s deformation is distributed over broad areas along small-scale structures. Java is segmented into three main zones based on their distinctive structural patterns and stress orientation. East Java is characterized by NW-SE normal and strike-slip faults, Central Java has E-W folds and thrust faults, and NE-SW strike-slip faults dominate West Java. The sandbox analog models indicate that the strain in response to collision is partitioned into thrusting and strike-slip faulting, with the dominance of margin-normal thrust faulting. My models test the effects of convergence obliquity, geometry, preexisting weaknesses, asperities, and lateral strength contrast. The result suggest that slight variations in convergence obliquity do not affect the deformation pattern significantly, while the margin shape, lateral strength contrast, and perturbation of deformation from asperities each have a greater impact on deformation. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2016

Ma thèse se focalise sur l'étude des mécanismes qui ont conduit au soulèvement et à la construction du relief dans les Andes du Nord du Pérou. Dans cette région, la Cordillère Blanche forme les plus hauts sommets péruviens (> 6000 m) et constitue une anomalie à l'échelle des Andes. La morphologie de cette région des Andes est marquée par un pluton de forme atypique, allongé et à l'affleurement sur plus de 150 km. Ce pluton est bordé par une faille normale de plus de 200 km de long. La présence de cette faille normale majeure en contexte de subduction plane reste surprenante car ces zones de subduction planes semblent induire une augmentation du raccourcissement dans la plaque chevauchante. Mon travail a eu pour objectifs de caractériser les variations de l'état de contraintes régional, l'âge du soulèvement et de discuter les processus géodynamiques qui ont contribué à la formation du relief. Dans ce cadre, j'ai utilisé une approche pluridisciplinaire impliquant sur plusieurs échelles spatio-temporelles et comprenant à la fois de nouvelles données de terrain, leur analyse et leur modélisation.Mes données de microtectonique indiquent qu'il est possible de générer de l'extension au dessus d'une subduction plane à l'échelle régionale. Ces données sont en contradiction avec l'augmentation du raccourcissement classiquement attendue dans la plaque chevauchante. Mes nouvelles données de thermochronologie basse température et leur modélisation montrent une augmentation de l'exhumation induite par le soulèvement de la Cordillère Occidentale à 15 Ma. En les confrontant aux modèles précédents, je propose un soulèvement régional lié à l'aplatissement de la subduction et à la topographie dynamique associée.J'ai également étudié l'impact de l'arc Miocène sur le soulèvement à une échelle plus locale. Pour cela, j'ai compilé tous les âges de refroidissement du pluton disponibles dans la littérature. En parallèle, j'ai obtenu les premières données de profondeur de mise en place du batholite de la Cordillère Blanche. Cela m'a permis de proposer une structure du batholite en sills empilés puis basculés vers l'est. De plus, la modélisation des variations spatio-temporelle des taux d'érosion à partir des données de thermochronologie basse température indique une augmentation importante des taux d'érosion dans la Cordillère Blanche à partir de 2 Ma. L'arc Miocène ne semble donc pas contribuer significativement au soulèvement malgré sa probable contribution à l'épaississement de la lithosphère. En revanche, l'érosion glaciaire récente semble contribuer fortement à l'exhumation de la Cordillère Blanche et au basculement du batholite.Dans la dernière partie de ma thèse, pour quantifier l'importance de l'érosion dans la création du relief et le soulèvement, j'ai modélisé l'évolution du paysage de la région (FastScape). Mes modélisations numériques démontrent le rôle majeur de l'érosion et du rebond flexural associé dans la création du relief et les taux de soulèvement. Pour finir, basée sur les données de la littérature et celles apportées par mon travail de thèse, je propose un nouveau modèle pour expliquer la faille normale de la Cordillère Blanche dans son contexte régional. Ce modèle implique une faille normale d'extrado et l'érosion importante du mur de la faille. / My thesis focuses on the mechanisms that controlled the uplift and construction of the relief in the northern Peruvian Andes. In this area, the Cordillera Blanca forms the highest peaks in Peru (> 6000 m), which is a topographic anomaly across the Andes. The morphology of the Cordillera Blanca is marked by an elongated pluton, which outcrops over 150 km. In addition, this pluton is bordered by the largest normal fault from South America. The presence of this major normal fault in a flat-slab context remains surprising because flat slabs usually induce an increase of the shortening in the overriding plate. The aim of my work is to characterize the variations of the regional stress field, the age of the uplift and discuss the geodynamic processes that contributed to relief building. To address these issues, I used a multidisciplinary approach involving new field data, their analysis and modeling.My microtectonic dataset reveals regional extension above the Peruvian flat-slab. This data contradicts the expected increase of shortening in the overriding plate. Modeling my new thermochronologic data shows an increase in the exhumation rates induced by the uplift of the Cordillera Occidental since 15 Ma. I propose that the regional uplift relates to the flattening of the subduction and associated dynamic topography.To address the impact of the Miocene arc on the uplift at a more local scale, I compiled the cooling ages of the pluton available in the literature. In parallel, I obtained the first amphibole thermo-barometry data that constrains emplacement depth of the Cordillera Blanca batholith. Following these data, I propose that the batholith is structured in eastward-tilted sills. In addition, modeling of the space and time variations of erosion rates based on the inversion of thermochronologic data indicates that erosion rates significantly increased in the Cordillera Blanca since 2 Ma. The Miocene arc seems to insignificantly contribute to the local uplift despite its contribution to the thickening of the lithosphere. Thus, I suggest that the recent glacial erosion contributes to the exhumation of the Cordillera Blanca and subsequent tilting of the batholith.Then, I modeled the landscape evolution for the Cordillera Blanca region to quantify the contribution of erosion in the relief building and the uplift. My numerical models (FastScape) evidence the importance of erosion and associated flexural rebound in fostering relief building and the uplift rates.Finally, based on all available data, I propose a new regional model to explain the Cordillera Blanca normal fault. This model implies an extrado normal fault and erosion of the footwall.

Two suites of intermediate-felsic plutonic rocks were recovered by dredges RD63 and RD64 (R/V KK81-06-26) from the northern wall of the Mariana trench near Guam, which is located in the southern part of the Izu-Bonin-Mariana (IBM) island arc system. The locations of the dredges are significant as the area contains volcanic rocks (forearc basalts and boninites) that have been pivotal in explaining processes that occur when one lithospheric plate initially begins to subduct beneath another. The plutonic rocks have been classified based on petrologic and geochemical analyses, which provides insight to their origin and evolution in context of the surrounding Mariana trench. Based on whole rock geochemistry, these rocks (SiO2: 49-78 wt%) have island arc trace element signatures (Ba, Sr, Rb enrichment, Nb-Ta negative anomalies, U/Th enrichment), consistent with the adjacent IBM volcanics. Depletion of rare earth elements (REEs) relative to primitive mantle and excess Zr and Hf compared to the middle REEs indicate that the source of the plutonic rocks is similar to boninites and transitional boninites. Early IBM volcanic rocks define isotopic fields (Sr, Pb, Nd and Hf-isotopes) that represent different aspects of the subduction process (e.g., sediment influence, mantle provenance). The southern Mariana plutonic rocks overlap these fields, but show a clear distinction between RD63 and RD64. Modeling of the REEs, Zr and Hf shows that the plutonic suites formed via melting of boninite crust or by crystallization from a boninite-like magma rather than other sources that are found in the IBM system. The data presented support the hypothesis that the plutonic rocks from RD63 and RD64 are products of subduction initiation and are likely pieces of middle crust in the forearc exposed at the surface by faulting and serpentine mudvolcanoes. Their existence shows that intermediate-felsic crust may form very early in the history of an intra-oceanic island arc system. Plutonic rocks with similar formation histories may exist in obducted suprasubduction zone ophiolites and would be evidence that felsic-intermediate forearc plutonics are eventually accreted to the continents.

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