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

The steep forearc slope along the northern sector of the obliquely convergent Hikurangi subduction zone is characteristic of non-accretionary and tectonically eroding continental margins, with reduced sediment supply in the trench relative to further south, and the presence of seamount relief on the Hikurangi Plateau. These seamounts influence the subduction process and the structurally-driven geomorphic development of the over-riding margin of the Australian Plate frontal wedge. The Poverty Indentation represents an unusual, especially challenging and therefore exciting location to investigate the tectonic and eustatic effects on this sedimentary system because of: (i) the geometry and obliquity of the subducting seamounts; (ii) the influence of multiple repeated seamount impacts; (iii) the effects of structurally-driven over-steeping and associated widespread occurrence of gravitational collapse and mass movements; and (iv) the development of a large canyon system down the axis of the indentation. High quality bathymetric and backscatter images of the Poverty Indentation submarine re-entrant across the northern part of the Hikurangi margin were obtained by scientists from the National Institute of Water and Atmospheric Research (NIWA) (Lewis, 2001) using a SIMRAD EM300 multibeam swath-mapping system, hull-mounted on NIWA’s research vessel Tangaroa. The entire accretionary slope of the re-entrant was mapped, at depths ranging from 100 to 3500 metres. The level of seafloor morphologic resolution is comparable with some of the most detailed Digital Elevation Maps (DEM) onshore. The detailed digital swath images are complemented by the availability of excellent high-quality processed multi-channel seismic reflection data, single channel high-resolution 3.5 kHz seismic reflection data, as well as core samples. Combined, these data support this study of the complex interactions of tectonic deformation with slope sedimentary processes and slope submarine geomorphic evolution at a convergent margin. The origin of the Poverty Indentation, on the inboard trench-slope at the transition from the northern to central sectors of the Hikurangi margin, is attributed to multiple seamount impacts over the last c. 2 Myr period. This has been accompanied by canyon incision, thrust fault propagation into the trench fill, and numerous large-scale gravitational collapse structures with multiple debris flow and avalanche deposits ranging in down-slope length from a few hundred metres to more than 40 km. The indentation is directly offshore of the Waipaoa River which is currently estimated to have a high sediment yield into the marine system. The indentation is recognised as the “Sink” for sediments derived from the Waipaoa River catchment, one of two target river systems chosen for the US National Science Foundation (NSF)-funded MARGINS “Source-to-Sink” initiative. The Poverty Canyon stretches 70 km from the continental shelf edge directly offshore from the Waipaoa to the trench floor, incising into the axis of the indentation. The sediment delivered to the margin from the Waipaoa catchment and elsewhere during sea-level high-stands, including the Holocene, has remained largely trapped in a large depocentre on the Poverty shelf, while during low-stand cycles, sediment bypassed the shelf to develop a prograding clinoform sequence out onto the upper slope. The formation of the indentation and the development of the upper branches of the Poverty Canyon system have led to the progressive removal of a substantial part of this prograding wedge by mass movements and gully incision. Sediment has also accumulated in the head of the Poverty Canyon and episodic mass flows contribute significantly to continued modification of the indentation by driving canyon incision and triggering instability in the adjacent slopes. Prograding clinoforms lying seaward of active faults beneath the shelf, and overlying a buried inactive thrust system beneath the upper slope, reveal a history of deformation accompanied by the creation of accommodation space. There is some more recent activity on shelf faults (i.e. Lachlan Fault) and at the transition into the lower margin, but reduced (~2 %) or no evidence of recent deformation for the majority of the upper to mid-slope. This is in contrast to current activity (approximately 24 to 47% shortening) across the lower slope and frontal wedge regions of the indentation. The middle to lower Poverty Canyon represents a structural transition zone within the indentation coincident with the indentation axis. The lower to mid-slope south of the canyon conforms more closely to a classic accretionary slope deformation style with a series of east-facing thrust-propagated asymmetric anticlines separated by early-stage slope basins. North of the canyon system, sediment starvation and seamount impact has resulted in frontal tectonic erosion associated with the development of an over-steepened lower to mid-slope margin, fault reactivation and structural inversion and over-printing. Evidence points to at least three main seamount subduction events within the Poverty Indentation, each with different margin responses: i) older substantial seamount impact that drove the first-order perturbation in the margin, since approximately ~1-2 Ma ii) subducted seamount(s) now beneath Pantin and Paritu Ridge complexes, initially impacting on the margin approximately ~0.5 Ma, and iii) incipient seamount subduction of the Puke Seamount at the current deformation front. The overall geometry and geomorphology of the wider indentation appears to conform to the geometry accompanying the structure observed in sandbox models after the seamount has passed completely through the deformation front. The main morphological features correlating with sandbox models include: i) the axial re-entrant down which the Poverty Canyon now incises; ii) the re-establishment of an accretionary wedge to the south of the indentation axis, accompanied by out-stepping, deformation front propagation into the trench fill sequence, particularly towards the mouth of the canyon; iii) the linear north margin of the indentation with respect to the more arcuate shape of the southern accretionary wedge; and, iv) the set of faults cutting obliquely across the deformation front near the mouth of the canyon. Many of the observed structural and geomorphic features of the Poverty Indentation also correlate well both with other sediment-rich convergent margins where seamount subduction is prevalent particularly the Nankai and Sumatra margins, and the sediment-starved Costa Rican margin. While submarine canyon systems are certainly present on other convergent margins undergoing seamount subduction there appears to be no other documented shelf to trench extending canyon system developing in the axis of such a re-entrant, as is dominating the Poverty Indentation. Ongoing modification of the Indentation appears to be driven by: i) continued smaller seamount impacts at the deformation front, and currently subducting beneath the mid-lower slope, ii) low and high sea-level stands accompanied by variations on sediment flux from the continental shelf, iii) over-steepening of the deformation front and mass movement, particularly from the shelf edge and upper slope.

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

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Les ressources géothermales de haute température se localisent principalement le long des zones de subduction. Considérée comme amagmatique, la Province géothermale du Menderes (Turquie) offre l’opportunité d’étudier des systèmes géothermaux sans nécessairement invoquer une source de chaleur magmatique dans les premiers kilomètres de la croûte. Cette étude montre que les températures anormalement élevées dans la zone d’arrière-arcs sont principalement liées à la dynamique particulière de la subduction est-méditerranéenne (i.e. retrait et déchirure). Les résultats de modèles numériques suggèrent que le shear heating et les flux mantelliques modifient temporairement la quantité du flux de chaleur à la base de croûte. Par ailleurs, des études de terrain sur l’ensemble de la région (Cyclades, Dodécanèse et Anatolie occidentale) montrent une évolution tectonique et thermique similaire depuis le Crétacé, marquée minéralogiquement par une succession d’épisodes de HP-BT puis de HT-BP. Toutefois, l’apport des données TRSCM et radiochronométriques (⁴⁰Ar-³⁹Ar, U-Pb) souligne un évènement thermique majeur contemporain à la mise en place du dôme métamorphique du Menderes. Cet événement que l’on explique par un changement drastique de la dynamique de subduction (i.e. déchirure du panneau plongeant sous le Massif du Menderes), se développe au Miocène. Des structures d’échelle crustale (i.e. détachements)accommodent la mise en place du Massif du Menderes et contrôlent la circulation des fluides dans la croûte, depuis la zone de transition fragile-ductile jusqu’à la surface, sans nécessairement impliquer la contribution de systèmes magmatiques dans la croûte supérieure. La Province géothermale du Menderes est considérée comme une province de haute température de taille mondiale car elle résulte de la dynamique de subduction qui contrôle spatialement et temporellement l’intensité de l’anomalie thermique mais également la mise en place de structures perméables(détachements) d’échelle crustale favorisant la circulation des fluides. / High temperature geothermal resources are mainly located along subduction zones. The Menderes geothermal Province (Turkey) offers the opportunity to study amagmatic geothermal systems, without necessarily invoking a magmatic heat source in the upper crust. This study shows that high temperatures in the back-arc domain are primarily related to subduction dynamics (i.e. rollback and tearing). Numerical models suggest that shear heating and mantle flows increase temporarily the amount of heat flow at the base of the crust. Furthermore, field studies on the entire Aegean region (Cyclades, Dodecanese and Western Anatolia) show a similar tectonic and thermal evolution since the Cretaceous, characterized by a succession of episodes of HP-LT and HT-LP metamorphism. Moreover, the contribution of TRSCM and radiochronometric data (⁴⁰Ar-³⁹Ar, U-Pb) reveals the formation of a largethermal pulse contemporaneous with the exhumation of the Menderes MCC. This event occurs in the Miocene and may be explained by a drastic change in subduction dynamics (i.e. slab tearing under the Menderes Massif).Crustal-scale structures (i.e. detachments) induce the emplacement of the Menderes MCC, and also control deep fluids circulation in the crust from brittle-ductile transition zone to the surface without magmatic contribution inthe upper crust. As a consequence, the Menderes geothermal Province is recognized as a most important active geothermal province in the world because it results from subduction dynamics. This dynamics thus controls thespatial and temporal distribution of thermal anomaly and extension, inducing crustal-scale permeable structures(detachments) that enhance fluids circulation.

Les éléments volatils, principalement l'eau, sont enrichis dans les magmas d'arcs. Ils jouent un rôle prépondérant dans le magmatisme de zone de subduction, que ce soit en permettant la fusion du manteau ou en influençant l'explosivité des éruptions en surface. L'objectif de cette étude est la caractérisation (en éléments majeurs, traces, volatils et isotopes du bore) des liquides primaires des magmas d'arcs et de leurs sources, afin de discuter de l'influence des phases mobiles issues du slab dans leur genèse. L'approche adoptée est l'analyse des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes de quatre volcans répartis dans trois zones de subduction : Vulcano, dans l'arc Eolien (Italie), le Mont Shasta, dans l'arc des Cascades (Californie, Etats-Unis), le Pichincha et le Pan de Azucar, dans l'arc Equatorien. Les inclusions primaires étudiées contiennent des liquides basaltiques sous-saturés en silice, plus ou moins riches en CaO, dérivant d'une source mantellique veinée de zones riches en amphiboles (±clinopyroxène, ±phlogopite) et ayant subi un degré variable de métasomatisme. Leurs compositions en éléments traces illustrent l'enrichissement de leurs sources mantelliques par des composés mobiles issus du slab et de compositions contrastées. Il existe d'importantes variations des compositions en éléments volatils entre les inclusions provenant de plusieurs échantillons d'un même volcan (le Mont Shasta), celles provenant de plusieurs volcans d'une même zone de subduction (le Pichincha et le Pan de Azucar) ainsi qu'entre les inclusions des trois zones de subduction étudiées (arc Eolien, arc Equatorien et arc des Cascades). L'étude de l'évolution des teneurs en éléments volatils en fonction des pressions de saturation indique que seules les teneurs en Cl et F des inclusions magmatiques sont représentatives des teneurs du magma primitif. Le dégazage précoce et la formation de globules de sulfure affectent les teneurs en H2O, CO2 et S, qui peuvent être utilisées en tant qu'estimations minimales des teneurs des magmas primitifs. Les compositions en Cl des sources mantelliques des inclusions étudiées varient de 3±1 ppm à 450±125 ppm et celles en F varient de 16±6 ppm à 147±32 ppm (Cl/F de 0,2±0,1 à 3,6±1,2). L'association des rapports Cl/F des sources avec l'enrichissement en Nb (par rapport aux MORB) des inclusions et leurs valeurs isotopiques en bore suggère la participation de deux principaux composés mobiles dans la source de ces inclusions : (1) un liquide silicaté issu de la fusion des sédiments déshydratés (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pan de Azucar, qui possèdent des faibles δ11B ainsi qu'un fort enrichissement en Nb par rapport aux MORB) ; (2) un fluide aqueux formé lors de la déshydratation de la croûte océanique (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pichincha). Selon les propriétés physico-chimiques des différentes zones de subduction, ce fluide peut avoir les caractéristiques d'un fluide supercritique et être plus ou moins riche en éléments traces. Les compositions des inclusions de la Sommata (Italie) et de l'échantillon 95-15 du Mont Shasta montrent des enrichissements intermédiaires de leurs sources comparé à celles des inclusions du Pichincha et du Pan de Azucar. Leurs sources semblent avoir été métasomatisées par un mélange entre les deux composés métasomatiques décrits ci-dessus.

Le Nord de l'Amérique Centrale est une zone complexe d'interaction entre trois grandes plaques tectoniques majeures : La plaque Caraïbe (CA) la plaque Amérique du Nord (AN) et la plaque Cocos (CO). Alors que la plaque Cocos subducte sous les plaques Caraïbe et Amérique du Nord, le mouvement relatif entre ces deux dernières plaques, en domaine continental, est principalement accommodé par le système de failles décrochantes sénestres Est-Ouest Polochic-Motagua. Nous avons installé, début 2005 et pour une période de 6 mois, un réseau de 30 stations sismologiques afin d'analyser l'activité sismique actuelle du système de failles Polochic Motagua ainsi que d'imager la structure de la lithosphere en profondeur. Nous montrons que l'activité sismique enregistrée est principalement concentrée au-dessus de 15 km de profondeur et distribuée le long des deux failles de Polochic et de Motagua qui montre une activité comparable. Aucun événement enregistré n'est associé à la faille de Jocotan. Nous observons également l'activité d'un des grabens Nord-Sud situé au sud de la faille de Motagua ainsi que probablement des plis Est-Ouest situés au Nord de la faille de Polochic. A l'aide de la méthode de fonctions récepteur nous avons localisé la discontinuité de Mohorovic à une profondeur moyenne de 35 kilomètres. L'image du Moho le long d'un profil perpendiculaire au système de faille semble suggérer qu'il existe un amincissement de la croûte entre les failles de Polochic et de Motagua bien que ce résultat reste à confirmer. Dans le but de caractériser la déformation à la jonction triple CA-CO-AN, en terme d'interactions et de contribution relative des différentes structures (les failles de Polo- chic, de Motagua, la série de grabens Nord-Sud, l'arc volcanique...) et l'interface de subduction, nous avons utilisé des données GPS provenant de différents réseaux géodésiques localisés au Guatemala (24 sites mesurés en 1999, 2003 et 2006), au Chiapas, Mexique méridional (8 sites mesurés tout les ans entre 2002 et 2005) et au Salvador (3 sites mesurés en 2003 et 2006). Les données ont été traitées et combinées avec les logiciels GAMIT et GLOBK. Le champ de vitesse obtenu fut dans un premier temps ajusté à l'aide d'un simple modèle élastique. La faille de Motagua semble accommoder la majorité du mouvement sénestre entre les plaques CA et AN, dont seulement 15% est accommodé par la faille de Polochic malgré sa morphologie, son histoire sismique récente et sa sis- micité actuelle comparables à celles de la faille de Motagua. Ceci semble suggérer des interactions mécaniques complexes entre les deux failles décrochantes à l'échelle de plu- sieurs cycles sismique ou une rhéologie complexe de la lithosphère sous le système de failles Polochic-Motagua. Un modèle à une seule faille centrée sur la faille de Motagua bloquée sur 15 km de profondeur suggère une vitesse de glissement décroissante d'Est (20 mm/an) vers le centre du Guatemala (15 mm/an) vers la jonction triple CA-CO-AN (∼ 0 mm/an). Cette décroissance semble être cohérente avec le taux d'extension Est-Ouest observé à travers les grabens d'Ipala et de Guatemala-City. Nous observons également un mouvement dextre à travers l'arc volcanique d'Amérique Centrale d'environ 15mm/an au salvador et 10mm/an au Guatemala. Ce mouvement est cohérent avec celui observé plus au Sud au Nicaragua et au Costa-Rica. Afin de prendre en compte les rotations de blocs et la déformation élastique localisée sur des failles situées aux frontières de ces blocs, nous avons utilisé un modèle élastique inverse 3D (DEFNODE, McCaffrey, 2002) pour ajuster notre champ de vitesse. Un modèle à 4 blocs (CO, CA, AN et une micro plaque côtière située entre l'arc volcanique d'Amérique Centrale et l'interface de subduction CO/CA) suggère un couplage décroissant à l'interface de subduction du Chiapas vers le Guatemala bien que ce résultat ne soit pas entièrement résolu par la densité actuelle de nos données.

L'étude géomorphologique et la datation de séquences de terrasses marines, le long de la côte des Andes centrales, a permis de mettre en évidence une variabilité longitudinale et temporelle de la réponse de la plaque sud-américaine à la subduction de la plaque Nazca, au cours du Pléistocène. Les vitesses de soulèvement moyennes, déduites des âges 10Be, varient de 229 ± 40 (17,8°S) à 696 ± 53 mm/ka (15,33°S) le long de la côte. Des périodes de soulèvement rapide alternent avec des périodes de soulèvement plus lent au cours du Pléistocène. L'évolution morphologique de l'avant-arc est contrôlée par des processus tectoniques actifs liés à la zone de subduction. En-dessous d'une valeur seuil de 100-110 km de distance fosse-côte, les terrasses marines sont préservées et enregistrent les plus forts taux de soulèvement de la côte. Le soulèvement épisodique résulterait d'une variation de la surface de la zone sismogénique au cours du Pléistocène, en relation avec la variation de la distance fosse-côte.

L'expérience POMME (Programme Océan Multidisciplinaire Méso-échelle) a étudié pendant<br />un an une région de l'Océan Atlantique Nord-Est situé entre les Açores et la Péninsule<br />Ibérique afin de comprendre les processus qui font de cette région l'un des principaux puits de<br />dioxyde de carbone atmosphérique. Ce travail décrit la circulation océanique à méso-échelle dans<br />POMME. Des trajectoires de flotteurs lagrangiens de subsurface et de flotteurs ARGO sont utilis<br />ées pour identifier des structures tourbillonnaires et déterminer leur évolution. Combinées à<br />d'autres observations par analyse objective multi-données, elles fournissent des champs synoptiques<br />de la circulation horizontale, dans lesquels les transports turbulents sont estimés par diagnostics<br />lagrangiens. Une configuration régionale du modèle MICOM a été mise en place pour<br />produire une réanalyse de la circulation dans POMME en assimilant les trajectoires des flotteurs<br />lagrangiens. Des méthodes spécifiques ont été développées pour tenir compte du caractère lagrangien des observations dans des techniques d'assimilation séquentielle et variationnelle

La zone d'étude correspond à la Péninsule de Mejillones (23ºS) et la zone de Caldera (27°S), au nord du Chili. L'objectif est de comprendre les relations entre la déformation cassante et le soulèvement de la côte depuis le Miocène, et de replacer ces déformations dans le contexte de la convergence entre la plaque de Nazca et la plaque d'Amérique du sud. Les analyses stratigraphiques et morphostratigraphiques permettent de déterminer les mouvements verticaux de la côte. Les datations des surfaces des cônes alluviaux par la méthode des cosmonucléides produit in-situ sont utilisées pour caractériser les processus climatiques et tectoniques du Pléistocène supérieur. Enfin, l'analyse des failles permet de calculer les directions d'extension et de compression. En conclusion on discute leur chronologie et le comportement sismique de la région.