Depuis sa formation, la Terre subit un refroidissement lent. La chaleur provenant du noyau et de la désintégration des éléments radioactifs présents dans le manteau est évacuée vers la surface par convection. L’évolution des structures thermiques ainsi créées contrôle de nombreux phénomènes de surface tels que le mouvement des continents et le niveau marin. L’étude présentée ici s’attache à déterminer quelles structures convectives terrestres peuvent être reconstruites, sur quelle période de temps et avec quelle précision. La chaoticité de la convection implique que les incertitudes initialement présentes sur le champ de température croissent exponentiellement au cours du temps et peuvent créer des structures convectives artificielles dans les modèles. A l’aide de la méthode des expériences jumelles initialement développée par Lorenz [1965] en météorologie, le temps de Lyapunov et l’horizon de prédiction sont calculés pour la première fois en géodynamique mantellique. Différentes rhéologies sont étudiées. La valeur du temps de Lyapunov pour notre modèle le plus proche de la Terre suggère qu’une erreur de 5% sur les conditions initiales limite l’horizon de prédiction à 95 millions d’années. D’autre part, la qualité de la prédiction des structures thermiques dépend de notre capacité à décrire de façon réaliste les propriétés rhéologiques du manteau. L’utilisation d’une rhéologie pseudo-plastique dans les modélisations de convection en 3D sphérique, permet aujourd’hui de générer une tectonique de plaques compatible au premier ordre avec les caractéristiques cinématiques de la surface terrestre. Une stratégie cohérente de reconstruction peut alors être élaborée. L’état thermique actuel du manteau est reconstruit en imposant les vitesses de surface de ces 200 derniers millions d’années [Seton et al., 2012; Shephard et al., 2013] sur un modèle de convection généré par le code StagYY [Tackley, 2008]. La morphologie et la position des slabs reconstruits varient considérablement avec le contraste de viscosité et la pseudo-plasticité. L’erreur introduite par l’utilisation de rhéologies différentes lors des reconstructions est ainsi plus importante que les erreurs liées aux incertitudes sur les conditions initiales et les vitesses de surface. Ces résultats montrent l’importance du choix la rhéologie sur la qualité des prédictions réalisées. Ils mettent également en évidence rôle clé du contraste de viscosité et de la pseudo-plasticité pour reconstruire des slabs cohérents et des subductions plates, structures propres à la convection terrestre. / Since its formation, the Earth is slowly cooling. The heat produced by the core and the radioactive decay in the mantle is evacuated toward the surface by convection. The evolving convective structures thereby created control a diversity of surface phenomena such as vertical motion of continents or sea level variation. The study presented here attempts to determine which convective structures can be predicted, to what extent and over what timescale. Because of the chaotic nature of convection in the Earth’s mantle, uncertainties in initial conditions grow exponentially with time and limit forecasting and hindcasting abilities. Following the twin experiments method initially developed by Lorenz [1965] in weather forecast, we estimate for the first time the Lyapunov time and the limit of predictability of Earth’s mantle convection. Our numerical solutions for 3D spherical convection in the fully chaotic regime, with diverse rheologies, suggest that a 5% error on initial conditions limits the prediction of Earth’s mantle convection to 95 million years. The quality of the forecast of convective structures also depends on our ability to describe the mantle properties in a realistic way. In 3D numerical convection experiments, pseudo plastic rheology can generate self-consistent plate tectonics compatible at first order with Earth surface behavior [Tackley, 2008]. We assessed the role of the temperature dependence of viscosity and the pseudo plasticity on reconstructing slab evolution, studying a variety of mantle thermal states obtained by imposing 200 million years of surface velocities extracted form tectonic reconstructions [Seton et al., 2012; Shephard et al., 2013]. The morphology and position of the reconstructed slabs largely vary when the viscosity contrast increases and when pseudo plasticity is introduced. The errors introduced by the choices in the rheological description of the mantle are even larger than the errors created by the uncertainties in initial conditions and surface velocities. This work shows the significant role of initial conditions and rheology on the quality of predicted convective structures, and identifies pseudo plasticity and large viscosity contrast as key ingredients to produce coherent and flat slabs, notable features of Earth’s mantle convection.

Les phénomènes de déformation du sol d‘origines naturelles (tectoniques et gravitaires...) ou anthropiques (surexploitation des nappes phréatiques, remblaiements...) peuvent avoir des retombées néfastes sur l'environnement et sur la vie humaine. Une bonne compréhension du mécanisme de la déformation est essentielle pour atténuer voire éliminer les risques sur les infrastructures et les environnements naturels. Dans cette étude, on se propose d‘appliquer la méthode interférométrique pour étudier la mobilité sur le grand Tunis qui est une zone urbaine et suburbaine et qui correspond au principal centre socio-économique de Tunisie. Tout d'abord, nous avons effectué des analyses sismotectoniques dans la zone d‘étude pour mieux comprendre les contextes sismique et structurale de la partie NE de la Tunisie tout en se basant sur différentes interprétations effectuées à partir des mécanismes au foyer et de la cartographie des épicentres réalisés dans cette zone. Cette analyse a permis de déduire l‘existence d‘un régime compressif NW-SE qui concorde bien avec le régime déjà existant à l‘échelle régionale. Cette cartographie a permis aussi la détection des différentes zones marquées par une activité sismique relativement importante avec une magnitude modérée et qui coïncident bien avec les accidents majeurs qui affectent la zone d‘étude. Par la suite, nous avons mené une analyse géomorphométrique du secteur d‘étude qui a permis de mettre en évidence différentes structures tectoniques existantes et de bien distinguer les différentes unités morphologiques et morphostructurales. Pour mieux assimiler le contexte morphodynamique de la zone d‘étude, nous avons choisi la méthode interférométrique des sous-ensembles à faibles lignes de base spatiales et temporelle (SBAS) qui est développée par Berardino et al. (2002). En effet, l‘application de l‘interférométrie radar différentiel sur la partie NE de la Tunisie a permis d‘identifier les zones à risques de subsidence naturelles et l'analyse des déformations de la surface topographique, associées aux phénomènes anthropiques. L‘analyse interférométrique des images radars à ouverture synthétique SBAS a démontré sa capacité de surveiller les déformations de la surface topographique et notamment les phénomènes de subsidence "à distance" avec une densité élevée de mesures au sol sur une large zone dans plusieurs travaux à travers le monde. Les analyses effectuées sur les données radar Envisat (2003-2007) en orbite descendante et Sentinel-1B (2016-2018) en orbite ascendante, nous ont permis d‘obtenir des cartes de déformation du sol, associées à des séries temporelles de la vitesse de déplacement de la zone d‘étude. Durant les deux périodes d‘analyses, nos résultats ont révélé et confirmé l‘existence de phénomènes de tassement différentiel dans la région de Tunis et de la plaine alluviale de Mornag. Le premier cas est très probablement expliqué par la nature du remblaiement et du sol hautement compressible dans la région de Tunis. Le deuxième cas consiste en un faible affaissement très probablement lié à une exploitation intensive du système aquifère de Mornag (pompage) / Soil deformation phenomena of natural (tectonic) or anthropic origins (over exploitation of groundwater, embankment) can have adverse effects on the environment and on human life. A good understanding of the mechanism of deformation is essential to mitigate or eliminate risks to infrastructure and natural environments. In this study, it is proposed to apply the interferometric method to study the mobility of an urban and suburban area of Tunis City, which is the main socio-economic center of Tunisia.Seismotectonic analyzes were carried out in the study area to better understand the seismic and structural context of the North East part of Tunisia while being based on the different interpretations made from focal mechanisms and mapping epicentres in this area. This analysis made it possible to deduce the existence of an NW-SE compressive regime that fits well with the existing regime at the regional level. This mapping also allowed the detection of the different zones marked by a relatively large seismic activity with a moderate magnitude and which coincide well with the major accidents that are at the level of the study area. Subsequently, a geomorphological analysis approach of the study area was carried out, which made it possible to highlight the different existing tectonic structures and to distinguish the different morphological units. It has been shown that geomorphological analysis has limitation to interpret the morphodynamic context of the study area and therefore the interferometric technique has proven to be an effective methodology for detecting and monitoring soil displacements with millimeter precision and also improving our understanding of current deformations. Indeed, the application of differential SAR interferometry made it possible to nether identify areas with natural subsidence risks or analyze the deformations of the topographic surface associated with anthropic phenomena. To better assimilate the morphodynamic context of the study area, the interferometric method of Small Baseline Subset (SBAS) developed by Berardino et al. (2002) has been chosen. The analysis of Envisat ASAR (2003-2007, descending satellite orbit) and Sentinel-1B (2016-2018, ascending satellite orbit) SAR data allowed us to obtain soil deformation maps associated with time series of velocity of the study area. These analyzes showed the existence of a differential settlement phenomenon in the region of Tunis and the Mornag plain by quantifying it quite accurately. Therefore, by combining SBAS results with geological, hydrogeological and geotechnical information, we have been able to explore some of the links between soil subsidence and its main control factors, in particular:- a differential settlement detected around the Lake of Tunis region, which is probably due to the nature of highly compressible alluvial sediments with bedrock depths sometimes exceeding 65m;- a subsidence of the Mornag plain, whose overexploitation of groundwater and the compressibility of alluvium were the driving forces of these deformations

Cette thèse s'intéresse à un segment de croûte d'âge Paléoprotérozoïque du craton ouest-africain. Les roches de la zone d'étude comprennent des roches volcaniques et volcanoclastiques mafiques à felsiques, des paragneiss de haut grade métamorphique et des ensembles volcano-sédimentaires faiblement métamorphisés. De nouvelles cartes lithologiques, métamorphiques et structurales sont construites à l'aide d'une approche intégrée, couplant cartographie de terrain et interprétation des données géophysiques aéroportées à l'échelle régionale. L'analyse des données géochimiques et géochronologiques des suites magmatiques de la ceinture de roches vertes de Sefwi révèle une affinité marquée avec le magmatisme calco- alcalin, produit des arcs volcaniques modernes et avec les TTGs d'âge Néoarchéen, impliquant une certaine diversité des sources et des processus pétrogénétiques. Des coeurs de zircons hérités, présents au sein de la suite magmatique livrent des âges autour de ca. 2250 à 2270 Ma. Leurs couronnes révèlent des âges de mise en place compris entre ca. 2189 et 2081 Ma. L'analyses Lu-Hf sur zircon livre des valeurs eHf positives et des âges modèles pour la croûtes situés entre 2650 et 2250 Ma. Ces valeurs indiquent l'existence d'une proto-croûte à tendance radiogènique et des temps de séjour limités pour ces magmas évoluant au sein de cette proto-croûte. L'évolution des magmas montre qu'ils ont été générés de façon concomitante, vers 2155 Ma, certains dérivants de la fusion d'une source mafique faiblement enrichit en potassium et formant des magmas sodiques, riches en silice, de type TTGs, d'autres de composition plus dioritiques, générés à partir de la fusion du manteau métasomatisé et enrichit en LILE. La mise en place plus tard vers ca. 2136 Ma de monzonites, présentant de teneurs élevées en potassium, soutient l'hypothèse d'une interaction avec des magmas de refusion de TTG existants au sein de la croûte. Le dernier stade du magmatisme est caractérisé par la mise en place de granites à deux micas et de leucogranites, le long de la marge nord-ouest de la ceinture de roches vertes vers ca. 2092 et 2081 Ma, marquant le stade de la collision au sein de l'orogène Eburnéenne. L'évènement tectono-métamorphique d'âge Eburnéen est caractérisé par un métamorphisme initialement de faciès amphibolite de haute pression, associé à un gradient géothermique assez froid (HP-MT, ~ 15-17 ° C / km). Le raccourcissement D1, orienté NNO-SSE, a généré une foliation pénétrative (S1), parallèle au litage des roches et des plans de chevauchement à tendance décrochant, orienté E-W. Cette tectonique précoce a provoquée l'enfouissement de roches supra-crustales (sédiments, roches volcaniques) et un épaississement de la croûte. Cet évènement métamorphique précoce évolue dans le temps et l'espace vers le facies amphibolite-granulite et l'anatexie. Les données SHRIMP U-Pb in-situ sur monazite livré des âges autour de ca. 2073 Ma. Ces monazites sont présentes au sein de paragénèses métamorphiques (D2) soulignant la foliation S2. Ces âges sont interprétés comme marquant le début de l'exhumation et du refroidissement de la croûte inférieure. Des détachements normaux, orientés NNE-SSO et des structures constrictives se sont formés conjointement au sein d'un régime de déformation D2 globalement transtensif, à jeux sénestre. Un régime compressif plus tardif (D3) a ensuite causé une réactivation en mouvement dextre de ces structures cisaillantes orientées NE-SO avec une rétrogression en schistes verts. Nous proposons que les segments de croute juvénile ont été générés en contexte d'arc intra-océanique, associé à un magmatisme intense et varié, issus des processus de subduction qui prendront fin lors des stades d'accrétion et de collision de ces segments d'autres terranes birimiens. La marge nord-ouest de la ceinture de roches vertes de Sefwi est interprétée comme une zone de suture entre des segments d'arc originellement séparés. / This thesis investigates the Palaeoproterozoic crust of the West African Craton in southwest Ghana, providing insight into its controversial geodynamic and tectonic evolution. Rocks of the study area comprise greenschist- to amphibolite facies, mafic to felsic volcanic and volcaniclastic rocks, high-grade paragneisses and low-grade volcano-sedimentary packages, all of which are extensively intruded by multiple generations of granitoids. New lithological, metamorphic and structural maps are constructed using integrated field mapping and interpretation of regional airborne geophysical datasets. This approach is used to constrain the deformation history of the sparsely exposed rocks of the NE- to NNE-striking Sefwi Greenstone Belt and the adjacent volcano-sedimentary domains deformed during the Eburnean Orogeny (2150-2070 Ma). Combined geochemical and geochronological analysis of the magmatic suites of the Sefwi Greenstone Belt reveal calc-alkaline, volcanic arc affinities, as well as a striking similarity to Neoarchean TTGs that require diverse magma sources and petrogenetic processes. Rare inherited zircon cores from the Palaeoproterozoic magmatic suite yield ages of ca. 2250 to 2270 Ma, with granitoid emplacement ages ranging between ca. 2189 and 2081 Ma. Zircon Lu-Hf analysis reveals consistently positive eHf(t) values and two-stage crustal model ages between 2650 and 2250 Ma, indicative of a radiogenic proto-crust and short crustal residence times. The magmatic evolution reveals the coeval generation of sodic, high-silica TTGs derived from partial melting of low-K mafic sources and dioritic magmas generated in a metasomatised, LILE-enriched mantle wedge at ca. 2155 Ma. Subsequent emplacement of high-K quartz monzonites at ca. 2136 Ma supports the interaction of mantle-derived magmas and remelting of existing TTGs. The final stage of magmatism is characterised by the emplacement of two-mica-granites and leucogranites along the NW margin of the Sefwi Greenstone Belt between ca. 2092 and 2081 Ma, interpreted as a terminal collisional event during the Eburnean Orogeny. Eburnean metamorphism and deformation is characterised in the study area by initial high-pressure amphibolite facies metamorphism corresponding with low apparent geothermal gradients (HP-MT, ~15-17°C/km). D1 NNW-SSE shortening generated a ubiquitous bedding-parallel foliation (S1) and ~E-W striking thrust faults, resulting in the burial of supracrustal rocks and crustal thickening. In the high-grade terrane, subsequent amphibolite-granulite facies metamorphism is associated with anatexis. In-situ SHRIMP U-Pb monazite ages at ca. 2073 Ma, hosted within, D2 mineral assemblages, are interpreted as the initial timing of cooling and exhumation, significantly later than paroxysmal metamorphism in NW Ghana and central Ivory Coast (2150-2130 Ma). NNE-striking normal detachments and constrictional deformation structures formed during sinistral ENW-WSW transtension (D2), during which segments of the middle- and lower crust were juxtaposed with low-grade domains. Subsequent E-W directed shortening (D3) caused the dextral re- activation of NE-SW striking shear zones, associated with a localised greenschist facies metamorphic overprint. We propose that the juvenile crust of southwest Ghana was generated in an intra-oceanic arc setting, associated with diverse and intense subduction-related magmatism until subsequent terrane accretion and collision. The north-western margin of the Sefwi Greenstone Belt in interpreted as a suture between the separate arc terranes, diachronously accreted during the Eburnean Orogeny. The Palaeoproterozoic crust of the southern portion of the West African Craton represents a juvenile crustal growth event, recording the unique geodynamic and orogenic processes associated with nascent subduction-related plate tectonics in the early Earth.

L'étude géologique du massif de fondation du futur barrage de Puylaurent (Massif Central français) a été menée en considérant que la connaissance de l'organisation structurale régionale est fondamentale pour l'interprétation des caractéristiques géotechniques du massif rocheux. Pour cela, les épisodes tectoniques qui ont faconné la région ont été analysés; ainsi ont été établis la genèse, la géométrie et les jeux des accidents résultants. Une étude structurale fine du massif rocheux cristallophyllien qui constitue la fondation du barrage a permis d'établir, outre la géométrie des déformations qu'il a subies, une filiation hiérarchique et chronologique avec les discontinuités régionales. L'existence éventuelle d'anisotropie de contraintes actuelles a été recherchée au moyen de mécanisme au foyer de séismes, de mesures de contraintes in situ et de mesures de vitesses sismisques. Celles-ci ont réussi à mettre en évidence une direction de sollicitation actuelle N*S à NNE-SSW. la confrontation des données géologiques et des résultats de travaux de reconnaissance (sondages, essais Lugeon, galeries) montre divers cas où une perméabilité élevée du massif de fondation est liée à l'orientation des sollicitations actuelles.

Le segment 16°N de la dorsale Est-Pacifique (EPR) est le plus large et le moins profond de cette dorsale rapide. Cette morphologie atypique est liée à un apport magmatique accru sous la dorsale dû à la proximité du point chaud des Mathématiciens. Ce travail présente une étude morphostructurale et de chronologie relative détaillée de la zone axiale de ce segment, réalisée à partir de l’analyse de données bathymétriques à 40 m, 10 m et 1 m de résolution, combinée à l’analyse de photos et vidéos de plongées Nautile acquises lors de la campagne PARISUB (PAnache Ridge SUBmersible.). Cette étude permet de discuter des processus tectoniques, de la dynamique des éruptions, ainsi que de l’influence du point chaud sur les processus d’accrétion. Sur les bordures du plateau sommital, ainsi que sur les plaines abyssales adjacentes au dôme, les failles et les grabens abyssaux apparaissent moins développés que le long des autres segments de l’EPR. Cette structuration du plancher serait la conséquence directe d’une lithosphère plus chaude et plus mince. A l’axe, le système éruptif complexe et très segmenté, reflète une faible localisation des intrusions et une grande variabilité spatiale et temporelle de l’activité magmatique. En effet, le fossé sommital est parfois large, d’autre fois étroit, parfois unique et parfois parallèle à un second fossé sur plusieurs kilomètres. Cette variabilité et la disposition de ces segments en échelon, décalés vers le point chaud, traduit l’influence du point chaud sur l’activité magmatique et son organisation. Cette influence est observée également sur la morphologie des coulées, mais cette fois-ci de manière indirecte. En effet, l’apport magmatique accru à l’axe est responsable de la formation d’un plateau sommital subhorizontal atteignant 5 km de large au centre du segment. Les faibles pentes de ce plateau sont à l’origine de la mise en place de coulées d’inflation en nappe et en coussin qui constituent plus d’un tiers des coulées de la zone cartographiée. La morphologie atypique de ces coulées, notamment celles en nappe, a conduit au développement d’un modèle théorique sur la dynamique des éruptions sur un plancher subhorizontal et d’un modèle conceptuel de la mise en place de ces laves. Ces coulées aux faciès contrastés semblent s’être mises en place au cours d’une même éruption qui se serait étalée sur jusqu’à plusieurs dizaines de jours, permettant ainsi une inflation des coulée jusqu’à 30 m de hauteur. Ce type d’éruptions aurait pour origine un apport de magma plus conséquent, qui trouverait sa source dans le point chaud. L’influence du point chaud des Mathématiciens sur les processus d’accrétion est donc observable de l’échelle décimétrique à plurikilométrique. / The 16°N segment of the East Pacific Rise (EPR) is the most over-inflated and shallowest of this fast -spreading ridge, in relation with an important magma flux due to the proximity of the Mathematician hotspot. The goal of this thesis is to analyze in detail the magmatic and tectonic processes along this segment in regards to the influence of the hotspot. The study of these processes is based on a morpho-structural and chronological analysis of the segment between 15°36.N and 15°53.N using bathymetric data (1,10 and 40 m resolution) and Nautile dive photos and videos of the French PARISUB (.PAnach Ridge SUBmerssible.) cruise. The characterization of the faults and fissures geometry (e.g., vertical throw, dip, length, depth, width) and their orientation reveled that tectonic processes occur more than 750 m of the ridge axis. Lateral and abyssal grabens formed by fault, less developed than in other EPR segments would be the consequence of a warmer and thinner lithosphere. At the axis, the existence of two parallel and contiguous Axial Summit Troughs (ASTs) over a distance of about 20 km and above a wide magma lens, indicate a wide zone of diking and thus a poor localization of magmatic processes. This poor localization, and the highly segmented and global “en echelon” shift of the ASTs that progressively accommodate the bow shape of the axial dome in the direction of the hotspot, revealed the importance of the Mathematician hotspot influences on spreading processes. This hotspot also influences, although indirectly lava flows morphologies.Indeed, it is at the origin of the formation of a wide sub-horizontal plateau that results in the formation of inflated sheet and pillow flows. That flows covering about one third of the plateau allows us to develop theoretical and conceptual models to investigate lava flow dynamics. Models revealed that inflated sheet and pillow flows may emplace during the same long-live (few hours to 20 days) eruption, with sheet flows erupted at the end.