Metamorphic rocks constitute a vast volumetric proportion of the Earth’s continental lithosphere and are invaluable recorders of the mechanisms and rates of deformation and metamorphism that occur at the micro-, meso- and macro-scale. As such, they have the potential to provide detailed insight into important tectonic processes such as the subductive transport of material into, and back from, mantle depths and also folding, faulting and thickening of crust that occurs during collisional orogeny. The Himalayan-Karakoram-Tibetan orogen is the youngest and most prominent example of a continent-continent collisional mountain belt on Earth today and is a product of the on-going convergence of the Indian and Asian plates that initiated in the Early Eocene. Thus, it provides an exceptional natural laboratory for the investigation of such processes. Recent advances in the computational ability to replicate natural mineral assemblages through a variety of metamorphic modelling techniques have led to improvements in the amount (and quality) of petrographic data that may be obtained from a typical metamorphic rock. In this study, phase equilibria modelling (pseudosection construction) using THERMOCALC, amongst other techniques, has been integrated with in-situ U–Pb and Th–Pb geochronology of accessory monazite in order to constrain the tectonothermal evolution of four regions intimately associated with the Himalayan-Karakoram-Tibetan orogen. These regions comprise the Karakoram metamorphic complex (north Pakistan), the Tso Morari massif (north-west India), the eastern Himalayan syntaxis (south-east Tibet) and the Day Nui Con Voi metamorphic core complex of the Red River shear zone (North Vietnam). Each case study documents previously unreported metamorphic, magmatic or deformational events that are associated with the India-Asia collision. These data have allowed original interpretations to be made regarding the tectonic evolution of each individual region as well as the large-scale evolution of the Himalayan-Karakoram-Tibetan orogenic system as a whole.

The Palmer Zone of Transpression (PZoT) in the Bronson Hill zone of central Massachusetts is an expression of late Paleozoic oblique convergence between Avalonia and Laurentia. The steeply W-dipping, N-S trending PZoT is defined by bounding high strain zones (Mt. Dumplin on west, Central Maine and Conant Brook on east) of opposing shear sense enclosing the Monson orthogneiss. Research was designed to establish the timing of deformation to test the hypothesis that strain in transpressional systems occurs contemporaneously. An understanding of the timing of deformation in this zone could elucidate the mechanisms that formed the zone and contribute to a greater overall understanding of fabric evolution in transpressional systems. U-Pb SIMS ages of zircon in deformed pegmatites in Monson orthogneiss and Paxton and Rangeley paragneisses are 369 to 364 Ma. Plutons that contain all fabrics associated with progressive transpression – lineations ranging from subhorizontal (initial) to steeply-plunging parallel to dip (final) – mark the maximum age of deformation. Ages range from 360-355 Ma in the Hardwick tonalite, Wachusett tonalite, West Warren diorite, Walker Mountain orthogneiss, and Nichewaug diorite, and indicate transpression in the PZoT initiated after ca. 355 Ma. Monazite from Rangeley paragneisses and schists selected in the context of petrofabrics and syn-deformational mineral assemblages yield U-Th-Pb EPMA chemical ages that indicate dextral transpression occurred continuously from 355 to 315 Ma. Monazite chemical ages also indicate that sinistral lateral displacement in the west-bounding Mt. Dumplin high strain zone initiated ca. 325 Ma and lasted for roughly 45 m.y., ending around 280 Ma. The data for the Central Maine zone, Conant Brook shear zone, and Greenwich syncline support the idea of contemporaneous deformation across the compartmentalized zones of a transpressive system (355-315 Ma), while the ages for the Mt. Dumplin high strain zone indicate sinistral lateral displacement overlapped dextral transpression by about 10 m.y. but generally continued later in time (325-280 Ma).

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Salt can be removed by viscous flow and dissolution to form a salt weld. A complete weld forms when salt is completely removed by these processes. Where salt removal is incomplete, a partial weld forms. Though welds are frequently mentioned in the literature, the details of weld formation and the properties of salt welds are poorly understood. In Chapter 1, I use analytical and numerical models to quantify the role of viscous flow during salt welding. Where salt flow is limited by boundary drag against the salt contacts, evacuation is slow and up to ~50 m of salt will be left behind in a partial weld. Where salt flow is laterally unrestricted, a vanishingly thin (<< 1 m) smear of salt will remain. I conclude that layer-parallel wall rock translation or dissolution must act to remove any remnant salt to create a complete weld. In Chapter 2, I characterize partial welds containing halite and anhydrite on reflection seismic data by treating welds as thin beds. Below the temporal resolution of reflection seismic data, typically ~25-50 m for modern surveys with peak frequencies of ~10-30 Hz, reflections from the upper and lower evaporite contacts converge and interfere to form a single composite reflection. Thus, partial and complete welds are typically indistinguishable using travel-time differences alone. I then use amplitude information from synthetics and seismic examples to estimate remnant evaporite thickness. In Chapter 3, I investigate fluid flow near and through salt welds. I conclude dissolution during boundary flow can remove up to a few meters of salt per million years. Though dissolution plays a volumetrically insignificant but important role in weld formation, as runaway dissolution can create pathways for focused cross-weld migration of subsurface fluids. I identify features that influence cross-weld migration of subsurface fluids and then develop an empirical relationship between weld geometry and the tendency seal or leak hydrocarbons. I find that in the Campos Basin, offshore Brazil, salt welds containing remnant evaporites thinner than ~50 m that are broader than ~25 km2 in area are likely to leak. / text

Les processus d'extension continentale et d'accrétion océanique sont étudiés avec une approche cinématique et tectonique dans différents contextes géodynamiques depuis la déformation intra-plaque jusqu'à la fragmentation des continents, le rifting à l'axe des dorsales et l'ouverture des bassins arrière-arc. L'accent est mis sur le golfe d'Aden, un exemple remarquable de bassin océanique jeune qui offre l'opportunité de suivre le processus de fragmentation continentale depuis la mise en tension de la lithosphère africaine, jusqu'à son amincissement et sa déchirure, puis la mise en place d'une nouvelle dorsale. L'histoire du rifting conservée dans les marges passives qui affleurent à terre et l'histoire de l'ouverture océanique enregistrée dans les anomalies magnétiques sont reconstituées. Une synthèse des travaux cinématiques dans le golfe d'Aden est d'abord présentée. L'exploration du point triple Arabie-Inde-Somalie pendant la campagne AOC a permis de reconstruire son évolution depuis sa formation, de réévaluer la cinématique actuelle de la frontière Arabie-Inde et de calculer un modèle cinématique haute définition du mouvement Arabie-Somalie. Ces résultats montrent que l'accrétion océanique a démarré dans le golfe d'Aden oriental il y a 20 Ma et que la dorsale s'est propagée en moins de 4 Ma en direction du point chaud Afar, avec un taux de propagation extrêmement rapide de l'ordre de 35 cm an-1. La propagation "passive" résulte de la rotation rigide des plaques Arabie et Somalie autour d'un pôle d'Euler quasiment stationnaire. Le volet cinématique est complété par des travaux tectoniques réalisées à terre et en mer au niveau des marges continentales et de la plateforme arabe. Ils montrent que la lithosphère arabo-africaine était sous tension avant la localisation de l'extension dans le système de rifts Mer Rouge-golfe d'Aden lors de la mise en place du point chaud Afar à 30 Ma. Au niveau du golfe d'Aden, ces études permettent de progresser sur la segmentation et l'évolution 3D de l'architecture des marges passives en liaison avec le rifting oblique, l'asymétrie des marges conjuguées et le rôle des failles de détachement, et l'évolution des escarpements de marge contrôlée par la tectonique et le climat. Une troisième partie est consacrée à des travaux qui sortent du cadre régional du golfe d'Aden. Les relations entre cinématique et déformation sont explorées dans le cadre du rifting à l'axe des dorsales à accrétion oblique et dans celui des bassins arrière-arc à travers l'exemple du fossé d'Okinawa. Une approche analogique de l'extension distribuée en domaine continental contrôlée par l'interaction collision- subduction est aussi présentée. Enfin, l'extension ductile dans les chaînes de montagne est évoquée à travers l'exemple de la Corse alpine et des schistes lustrés alpins. Ces exemples alpins sont mis à profit pour présenter des résultats récents sur l'évolution du pli du Vélodrome au front des nappes alpines. Le dernier volet est consacré à un projet de recherche qui sera développé dans les prochaines années sur la localisation et l'évolution spatiale et temporelle des frontières de plaques en fonction des conditions aux limites cinématiques et de la rhéologie de la lithosphère, à travers l'exemple de la frontière Arabie-Inde.

Les mécanismes qui mènent à la morphologie actuelle des Andes de Neuquén, dans le sud des Andes centrales (Argentine), sont mal compris. Dans ce travail, nous avons étudié les marqueurs morphotectoniques de la déformation au front de l'orogène qui montrent que le régime tectonique régional est compressif au Plio-Quaternaire. La partie méridionale des Andes de Neuquén constitue un prisme orogénique critique alors que la partie septentrionale implique plutôt la réactivation de blocs crustaux isolés dans l'avant-pays. Par ailleurs, le soulèvement dans l'avant-pays d'une large province crustale loin du front orogénique habituellement considéré à ces latitudes, traduit l'élargissement de l'orogène. Certaines structures extensives contemporaines de la compression s'expliquent par des glissements gravitaires similaires à ceux observés sur les marges passives. Les soulèvements crustaux et les couches sédimentaires ductiles contrôlent au premier ordre le processus. Des modèles numériques et une solution analytique montrent que l'incision fluviatile et la sédimentation favorisent ou inhibent l'initiation du processus.

Cette étude porte sur les structures et déformations qui les ont engendrées des roches de la trilogie priabonienne du Champsaur. L'étude de terrain est axée sur les affleurements de schiste, roche déformable, particuliérement riche en petites structures engendrées par les différents évènements tectoniques et plus accessoirement sur les affleurements calcaires ou gréseux.

La région étudiée est située dans la branche occidentale de l'arc de Castellane, qui fait partie des chaines subalpines méridionales. Située exactement entre les synclinaux de Tertiaire de Barrême et de Majastres, elle est caractérisée par un faisceau de décrochements dextres de direction N-5 traversant plus ou moins obliquement un ensemble de plis et d'écailles préexistants, de direction N-S ou NW-SE. Cette zone intensément déformée coïncide avec un domaine de sédimentation réduite au Jurassique qui correspond au passage entre les domaines paléogéographiques "provençal" (à l'Ouest) et dauphinois sensu lato (à l'Est). On met ainsi en évidence le rôle des discontinuités structurales dans la localisation des décrochements, leur emplacement coïncidant remarquablement avec un domaine où, d'une part, les séries sont réduites pour des raisons d'origine paléogéographique, et, d'autre part, où préexistent des anticlinaux serrés, érodés jusqu'au Trias gypseux. Dans la mesure où l'on peut considérer que ces anciennes zones de faiblesse probable ont prédéterminé l'emplacement des décrochements et guidé leurs déplacements, il n'est plus possible de déduire des directions de ces décrochements une idée précise des contraintes qui les ont engendrés; c'est dire que la méthode d'analyse employée laisse le problème entier; il est par conséquent essentiel de montrer ses limites d'application.

La lithosphère continentale peut s'étirer selon trois modes (rift large, rift étroit et Core Complex). En Asie de l'Est, une extension continentale a eu lieu de la fin du Mésozoïque au Cénozoïque et ne semble correspondre à aucun des trois modes actuellement définis. Cette période est caractérisée par un amincissement lithosphérique exceptionnel (>100 km), la présence de MCC, de bassins sédimentaires et une importante activité magmatique. Basé sur une approche multi-échelles, ce travail vise à mieux comprendre les mécanismes à l'origine de cette déformation lithosphérique (jamais abordés) ainsi que du moteur de l'extension (encore vivement discuté). Pluridisciplinaire, cette étude apporte de nouvelles contraintes à partir de l'analyse de la déformation finie (ductile ou fragile), du magnétisme des roches (ASM, paléomagnétisme), de la géochronologie (U/Pb sur zircon et 40Ar/39Ar sur monograins) et de la gravimétrie. Différents objets reconnus, révélant des quantités d'extension différentes (MCC vs. pluton cisaillé), montrent que la croûte continentale se déforme de manière très localisée, par la mise en place de larges dômes extensifs séparant des domaines de « radeaux » ou « boudins » présentant une déformation faible à nulle. Par comparaison des données crustales et mantelliques (tomographie sismique, géochimie) disponibles, cette étude met en évidence que l'amincissement lithosphérique reconnu pour le Mésozoïque est principalement lié à un important flux thermique du manteau, l'extension n'ayant qu'un rôle limité dans cet amincissement (<20%). En outre, eu égard au gradient géothermique exceptionnellement élevé de la région, à la fin du Mésozoïque, il semble très probable que des MCC puissent s'être développés sans épaississement préalable de la croûte. L'analyse comparée des directions d'étirement dans la croûte et dans le manteau met en évidence le rôle majeur de la subduction des panneaux plongeants le long de la marge est-asiatique. Un modèle géodynamique a été proposé montrant le rôle du retrait successif des panneaux plongeants couplé à un phénomène d'érosion thermique de la lithosphère.

Dans le secteur de Taxco-Zihuatanejo (Mexique méridional) affleurent six séquences volcano-sédimentaires et/ou volcano-plutoniques d'arc datées du Jurassique supérieur au Crétacé inférieur qui se sont accrétées au craton nord-américain à la fin du Crétacé inférieur. La séquence de Taxco-Taxco Viejo comprend des andésites, des dacites et des rhyolites calco-alcalines interstratifiées dans une sédimentation exclusivement détritique. Elle est affectée par un métamorphisme syncinématique de basse température (221-276°C). Cette formation représente vraisemblablement le témoin d'un arc insulaire édifié sur un substratum continental. La séquence de Teloloapan comprend des pillow lavas basiques surmontés en concordance par des dépôts volcanoclastiques à lentilles de calcaires récifaux de l'Aptien et des calcaires récifaux de Aptien-Albien. Elle est affectée par deux métamorphismes de bas degré : (1) hydrothermal océanique et (2) syn-cinématique. Le volcanisme comprend surtout des basaltes et des andésites calco-alcalins avec de rares roches acides (andésites et rhyolites tholéïtiques). Comparées aux séries calco-alcalines d'arc intraocéanique, les basaltes et andésites sont enrichis en HFSE et LREE. Les basaltes et andésites présentent des différences géochimiques et un eNd compris entre +4,6 et +1,6. Cette séquence s'est développée dans un environnement d'arc insulaire intra-océanique. La séquence plutono-volcanique d'Arcelia comprend un ensemble plutonique qui repose en klippe sur des basaltes en coussins recoupés par des filons basiques. La sédimentation est soit micritique au sein de la pile volcanique soit pélitique à radiolaires au sommet et datée de l'Albien-Cénomanien. Laves et filons sont affectés par un métamorphisme statique et hydrothermal prehnite-pumpellyite. Les roches basiques d'Arcelia, y compris les rhyolites, montrent des affinités de tholéïte typique d'arc insulaire intra-océanique (eNd compris entre +8 et +6). La séquence de Huetamo représente le comblement d'un bassin fortement subsident qui se développe entre des îles volcaniques appartenant à un environnement d'arc insulaire. La séquence volcano-sédimentaire de Zihuatanejo albo-cénomanienne est composée de pyroclastites et de laves calco-alcalines déjà différenciées, associées à des calcaires récifaux et/ou des couches rouges continentales. Le complexe de subduction de Las Ollas comprend des blocs de roches basiques et ultrabasiques enchâssés dans une matrice de serpentine ou de flysch. Ces blocs sontaffectés par un métamorphisme HP-BT. Les roches basiques montrent des affinités de tholéïtes d'arc, appauvries en terres rares légères. Leurs caractères géochimiques communs suggèrent qu'elles représentent des fragments dissociés d'un croûte supérieure d'un arc insulaire intra-océanique, formée aux tous premiers stades de l'activité de l'arc. Les affinités magmatiques des séries d'arc mésozoïques du "Guerrero terrane" sont très diversifiées à la fois d'une séquence à l'autre et à l'intérieur d'une même séquence. Cependant, deux ensembles peuvent être reconnus : (1) des tholéïtes d'arc appauvries à légèrement enrichies en LREE, composées exclusivement de basaltes et de leurs filons nourriciers et présentes à Arcelia et Las Ollas; quelle que soit la séquence, des cumulats ultrabasiques et basiques sont tectoniquement associés aux laves; leur source mantellique appauvrie (eNd compris entre +8 et +5,5) est du type Lherzolite à spinelles; (2) des séries calco-alcalines enrichies ou appauvries en HFS. Les roches basiques prédominent dans la série calco-alcaline enrichie en HFS (Famille I), représentée par les basaltes et les andésites de l'Aptien-Albien de Teloloapan qui dérivent d'une source enrichie de "Type Lherzolite à grenat". La série appauvrie en HFS (eNd compris entre +9 et +7,5) est représentée par les andésites de Zihuatanejo et les galets de l'Aptien-Albien de Huetamo (Famille II) qui dérivent d'une source mantellique appauvrie, identique à celle des tholéïtes mais avec des taux de fusion partielle moins élevés. Enfin la famille III regroupe les laves de Taxco et présente des caractères intermédiaires entre les familles I et II. Ainsi, les séquences magmatiques orogéniques du "Guerrero terrane" reflètent la complexité de cet arc ou de ces arcs qui, néanmoins, ont fonctionné pratiquement en même temps.