The timing, duration, and pressure-temperature (P-T) conditions of metamorphism provide a direct record of the physical and chemical evolution of the crust and inform our knowledge and understanding of plate tectonics. The characteristic timescales and length-scales of metamorphism vary by orders of magnitude, depending on the driving tectonic process. Two fundamental problems with the retrieval of this information from the metamorphic rock record are insufficient temporal resolution and processes that overprint or obscure the full record of metamorphism. Understanding what processes are recorded, and why they are recorded, is critical for accurate models of tectonics. This dissertation examines these processes in the metamorphic rock record in two settings: the central Appalachian orogen and the Western Alps fossil subduction zone. Chapters 2 and 3 focus on poly-metamorphic migmatites from the Smith River Allochthon (SRA) in the central Appalachians. A combination of petrography, thermodynamic modeling, and geochemistry is used to document and quantify the metamorphic evolution of the SRA and determine the petrologic processes that control metamorphic re-equilibration in high-temperature metamorphic systems. Chapter 2 presents new constraints for Silurian high-temperature (~750℃, 0.5 GPa) contact metamorphism in response to mafic magmatism and a cryptic Alleghanian metamorphism (~600℃, 0.8 GPa). A combination of extensive and highly variable melt loss followed by H2O-flux melting during contact metamorphism is shown to produce a range of modified bulk rock compositions and domains with variable fertilities for metamorphic re-equilibration during the Alleghanian. In chapter 3, monazite, allanite, and zircon laser ablation split-stream petrochronology are used to constrain the timing of poly-metamorphism and develop a tectonic model for the SRA. The SRA preserves evidence for at least three orogenic events, each with a relatively short duration (< 10 Myr.), likely due to repeated magmatic heating. The full record of this punctuated heating is obscured by dissolution-reprecipitation reactions that variably recrystallize monazite and decouple trace element chemistry from isotopic age and significantly restrict equilibrium length-scales. Chapters 4 and 5 examine the dynamic interplay between transient fluid flow, episodic metamorphism, and deformation in subduction zones. In chapter 4, diffusional speedometry is applied to eclogite breccias from the Monviso ophiolite to quantify the periodicity of transient deformation and metamorphism at eclogite facies P-T conditions. The maximum timescale for repeated fracturing is constrained to ~1 Myr., likely caused by cyclic variations in fluid pressure and strain rate (not necessarily seismicity). While difficult to preserve and detect in the rock record, this periodic metamorphism may play an important role in detachment and exhumation processes in subduction zones worldwide. Finally, in chapter 4 a combination of thermodynamic modeling and Sm-Nd garnet geochronology are used to construct a model for subduction and exhumation of the Voltri ophiolite. Garnet growth occurs rapidly and close to peak P-T conditions (~520℃, 2.4 GPa) across the ophiolite, with large (>10 km2) areas preserving near-identical ages, suggesting that the Voltri ophiolite was exhumed as several large coherent units, aided by the presence of buoyant serpentinites. / Doctor of Philosophy / Metamorphism provides a direct record of the physical and chemical evolution of Earth's crust and informs our knowledge and understanding of how plate tectonics works on Earth. Differences in the physical conditions (e.g. pressure, temperature) and timescales of metamorphism can provide clues for the operation of unique tectonic processes, such as the intrusion and cooling of magma deep underground or the collision of two tectonic plates and formation of a mountain range. The key is to correctly "read" the metamorphic rock record. One inherent difficulty in reading and interpreting metamorphic rocks is that few current methods are able to resolve very short timescale events (much less that 1 million years (Myr.) in duration), such as earthquakes, in the rock record. Moreover, metamorphic rocks experience numerous distinct 'events', which partly overprint one another and produce a complicated and near impossible puzzle for geologists to unravel. Solving this puzzle is critical to fully understand how plate tectonics works on Earth. This dissertation addresses these problems and examines metamorphism in two locations: the core of the ancient supercontinent Pangea (central Appalachians) and a fossil subduction zone (the Western Alps). Chapters 2 and 3 focus on the central Appalachians. Chemical and textural analysis of metamorphic rocks are used to understand the major heat sources that operated in the crust during the formation of the Appalachians and determine the processes that control metamorphic re-crystallization at extremely high temperatures. Chapter 2 presents new constraints for high-temperature (~750℃) metamorphism in response to magmatic heating and provides evidence for a younger metamorphic event that is cryptically recorded. A combination of compositional changes caused by earlier high-temperature metamorphism and the later addition of water along reactive grain boundaries are shown to be important factors in the cryptic record of the younger metamorphic event. In chapter 3, U-Pb geochronology is used to the determine the timing of metamorphism and construct a tectonic model for the central Appalachians, which preserves evidence for at least three tectonic events over ~200 Myr, but with each occurring over a relatively short duration (< 10 Myr.). These events are interpreted to represent repeated magmatic heating 'pulses' during the formation of Pangea. However, the full record of this punctuated heating is partly obscured by subsequent fluid alteration. Chapters 4 and 5 examine the dynamic interplay between transient fluid flow, earthquakes, and metamorphism deep in subduction zones. In chapter 4, fracture sets within metamorphic garnet crystals from the French Alps (Monviso) are used to determine the timescale of repeated fracturing and recrystallization during subduction. The fracture timescales are estimated to be much less than 1 Myr. and are interpreted to record repeated fluid "pulses" and possibly deep earthquakes. While difficult to preserve and detect in the rock record, this process may play an important role in bringing metamorphic rocks back from deep in subduction zones to Earth's surface. In chapter 4, a combination of mineral chemistry and geochronology are used to construct a tectonic model for the subduction and exhumation of a portion of the Italian Alps (Voltri). Metamorphic reactions occur synchronously and immediately before exhumation across a wide area (> 10 km2). This suggest that large (> 10 km2) pieces of oceanic crust can metamorphose, detach, and exhume deep in subduction zones.

Le domaine valaisan dessine la suture majeure qui marque la limite entre les zones internes et externes des Alpes occidentales et dont l'interprétation géodynamique était controversée. Cette suture est constituée d'une série de flysch (le flysch valaisan) et d'un complexe magmatique et sédimentaire (le complexe du Versoyen). Suivant les auteurs, les roches magmatiques d'affinité tholéïtique pourraient représenter: 1) une klippe d'origine piémontaise (suture d'hyper-collision), 2) une écaille ophiolitique située au front d'un prisme d'accrétion (suture océanique), 3) un complexe magmatique lié à un amincissement crustal (inversion structurale). Le but de ce travail était de trouver des arguments qui permettaient de résoudre cette controverse. Ainsi les résultats de ce travail montrent que : - Dans la région du col du Petit-Saint-Bernard (frontière franco-italienne), certaines tholéïtes sont recoupées par des filons leucocrates qui correspondent à des liquides différenciés, cogénétiques du magmatisme. Les datations UlPb sur les zircons contenus dans l'un de ces filons indiquent un âge Carbonifère supérieur- Permien inférieur pour le magmatisme du Versoyen. - Ce magmatisme présente des caractères géochimiques et isotopiques, intermédiaires entre ceux des N-MORB et des T-MORB, dans les régions du col du Petit-Saint-Bernard et de Visp (Suisse). Ces tholéïtes dériveraient de la fusion partielle d'un manteau appauvri (de type N-MORB), avec probablement la participation d'une source enrichie (de type OIB), ce qui est en accord avec une mise en place dans un domaine en cours d'océanisation. - Le complexe du Versoyen est affecté par un métamorphisme polyphasé éclogitique, puis schiste bleu et enfin schiste vert. La paragénèse éclogitique correspond à des conditions de Haute-Pression et Basse-Température (P > 13Kb, 425 < T < 475°C) qui traduisent un enfouissement à grande profondeur, lié à une subduction. Les datations Ar/Ar réalisées sur les phengites donnent des âges de refroidissement proches de 33 Ma et permettent d'établir le chemin P-T-t de ce complexe au cours de l'exhumation des éclogites. - Le complexe du Versoyen est affecté par une déformation syn-schiste vert qui correspond à un jeu normal vers le SE. La comparaison entre les données de terrain et les données sismiques ECORS suggère que les failles normales se prolongent en profondeur et s'applatissent vers 10-15 km. Cette déformation postérieure à 38 Ma explique en partie l'exhumation des éclogites. Ce jeu normal est contemporain de chevauchements dans la zone externe et pourrait accommoder un réamincissement crustal au cours de la collision alpine. Ces données montrent que l'individualisation du substratum du domaine valaisan est liée au cycle hercynien et que ses relations complexes avec le flysch sus-jacent sont liées à une inversion structurale anté-flysch, alors que son évolution tectono-métamorphique est controlée par une extension succèdant aux phases compressives.

Les Alpes occidentales, résultat de la collision entre la plaque Eurasie et le promontoire apulien de la plaque Afrique, traversent l'Europe sur près de 1200 km. C'est l'une des chaînes de montagnes les mieux étudiées au monde, notamment par des méthodes d'imagerie géophysique. Celles-ci ont permis de réaliser plusieurs grands profils d'échelle crustale par sismique active. Parallèlement, la sismicité de magnitude relativement modérée a motivé le déploiement de réseaux sismologiques denses permettant de localiser plusieurs milliers d'évènements par an. Ces données apportent énormément d'information sur la géodynamique actuelle des Alpes et ont servi à réaliser plusieurs tomographies. L'ensemble de ces travaux permet une bonne compréhension de la chaîne, cependant des incertitudes persistent motivant la présente étude dont l'ambition est de réaliser une tomographie de la lithosphère des Alpes occidentales.Notre étude s'appuie sur plus de 791000 temps d'arrivée d'ondes P et S émises par plus de 36000 séismes locaux et enregistrées par 375 stations. Le domaine d'étude de 456x414 km2 couvre le sud-est de la France, le nord-ouest de l'Italie et la majeure partie de la Suisse. Dans ce domaine, la majorité des séismes a lieu dans les premiers 15 km de la croûte et grande partie des temps d'arrivée correspondent à des ondes réfractées au toit du manteau. Cela permet d'obtenir une résolution convenable à la fois dans la croûte et dans le toit du manteau. L'intérêt d'utiliser un grand nombre de données est double : cela assure une couverture relativement complète du domaine et améliore par la loi des grands nombres la précision du modèle déterminé. Toutefois, ce type de jeu de données nécessite un traitement adapté pour gérer les inévitables données aberrantes.La tomographie par temps d'arrivée de séismes locaux de la lithosphère a été réalisée à l'aide du code INSIGHT, développé au cours de cette étude à partir d'un code de V. Monteiller et B. Valette. Le modèle est constitué des valeurs de vP et vP/vS en chaque nœud d'une grille 3D à taille de maille constante, des localisations et des paramètres d'effets de site analogues aux « corrections statiques » de la prospection sismique. Le modèle vP a priori pour la croûte et le manteau supérieur est une fonction continue de la profondeur. Les localisations initiales des foyers ont été obtenues à l'aide du code LOCIN développé pour cette étude et permettant de déterminer une densité de probabilité par recherche sur grille. Les temps de propagation sont déterminés pour les premières arrivées en intégrant la lenteur le long des rais ; la géométrie de ceux-ci est déterminée par le maximum du gradient des temps de propagation, eux-mêmes calculés par la résolution de l'équation eikonale par différences finies. L'inversion est menée par une approche de moindres carrés non-linéaires, basée sur une description stochastique des données et des paramètres du modèle.La topographie du Moho est déduite de ce modèle de tomographie en prenant le maximum du gradient de vP obtenu entre les isovitesses 7,3 et 7,6 km/s. Cette information est complétée par des modèles issus de précédentes études. La large proportion d'ondes réfractées de notre lot de données permet un niveau de détails relativement fin. Ce modèle du Moho est ensuite introduit comme interface a priori dans un nouveau processus de tomographie dans lequel les paramètres vP et vP/vS de la croûte et du manteau sont décorrélés. La discontinuité du Moho est mieux modélisée et les ondes réfractées sont mieux déterminées. Cette approche permet par ailleurs de calculer les temps de propagation des ondes directes lorsque celles-ci arrivent après les ondes réfractées : plus de 100000 temps d'arrivées sont ainsi ajoutés aux données et la résolution dans la croûte est améliorée.Ces deux tomographies, la topographie du Moho et les localisations fines apportent de nouvelles informations sur les structures profondes des Alpes occidentales. / The Alpine chain, which stretches in the middle of Europe across six countries, is probably the most studied mountain range in the world. Geology and metamorphism studies contributed for a large part to the current understanding of the geodynamics and history of this region. Since the second half of the 20th century, geophysical methods were employed to study its lithosphere and several crustal cross-sections where performed, mainly using controlled-source seismology. In parallel, dense seismic networks were also deployed in France, Italy, and Switzerland in order to study the usually low-magnitude activity of the western Alps. Over the past 25 years, these networks have permitted to locate tens of thousands of local earthquakes. In the last two decades, local or regional tomographic studies have been conducted using subsets of this data, which substantially improved our understanding of the deep structure of the Alps.Here, and based on 36,000 seismic events, 375 stations and more than 791,000 P and S-waves arrival times, we performed a tomographic study on a 456x414 km2 area covering the western Alps. Even if most of these earthquakes occurred within the first 15 km beneath surface, a large part of the data is composed of refracted-waves, letting us insight the deep structure of the crust. The interest of such a large dataset relies on the accuracy ensured by the law of large numbers, but the unavoidable presence of outliers requires a specific approach in order to handle it. The a priori earthquake locations were computed using the LOCIN algorithm developed in this study, which is basically a grid-search algorithm combined with a probabilistic approach.Tomography of the crust and upper mantle based on travel-times analysis was conducted using the INSIGHT algorithm which was developed in this study (based on a V. Monteiller and B. Valette algorithm). Our model consists of a set of vP and vP/vS values given at each node of a three-dimensional, regularly-spaced grid, which constitutes the inversion grid. Transition between crust and mantle is modelled by a continuous change in velocity, as we do not introduce any a priori information on the Moho interface. Earthquake locations and site-effect residuals at each station (analogous to "static corrections" in seismic prospecting) are also determined in the process. The forward computation of travel times in the 3D model is performed by integrating slowness along the rays, which are determined by a finite-difference resolution of the eikonal equation. Inversion is carried out using a non-linear least-squares approach based on a stochastic description of data and model. The smoothing and damping parameters are adjusted by means of L-curves analysis.The Moho topography is determined by matching two informations: (i) the maximum of the vP gradient within this preliminary tomographic model, taken in a 7.3-7.6~km/s range and (ii) information provided by previous studies to fix Moho depth in the border area of our study zone, where our model is poorly resolved. As our tomographic model relies on a large set of refracted waves, the Moho topography we build is detailed and presents interesting new insights for the western Alps. This Moho interface is then used as an a priori discontinuity in a new tomography process. Parameters within the crust and the upper mantle are then decorrelated, letting refracted-waves to be more correctly modelled. By this approach, we are able to compute not only the first- but also the second-arrival travel-time which corresponds to the direct wave in the crust for focus-station distances greater than 100-125 km. This allows us to add more than 100,000 new data to our dataset, which of course improves the resolution in the crust.Both tomographic models, the Moho topography and the earthquake relocations provides new evidences and constraints on the deep structure of the western Alps.

Les glaciers de montagne sont l'un des meilleurs indicateurs des changements climatiques du fait de leur réponse rapide à de faibles variations des paramètres de forçage et de leur large distribution sur la planète. Les chronologies glaciaires représentent de ce fait des enregistrements de référence parmi les reconstitutions paléo-environnementales. Dans le contexte actuel de réchauffement et de retrait glaciaire accéléré, le développement de telles chronologies est nécessaire afin de mettre en perspective ces changements rapides et de grande ampleur avec ceux du Quaternaire récent. Si les fluctuations glaciaires holocènes sont relativement bien contraintes dans les Alpes centrales et orientales, les données sont en revanche extrêmement fragmentaires dans les Alpes occidentales avant la seconde moitié du Petit Age Glaciaire ss (1570-1850 AD). Pour pallier ce manque, nous avons conduit une étude sur plusieurs sites répartis dans trois massifs des Alpes françaises (Mont Blanc, Belledonne, Ecrins), en mettant en œuvre une approche multi-proxies basée sur plusieurs méthodes de datation (dendrochronologie, datation cosmogéniques 10Be, lichénométrie, datations radiocarbone) – dont certaines utilisées pour la première fois à cette échelle spatiale et temporelle. Tandis que les potentialités de chacune de ces méthodes sont discutées, notre étude a permis de proposer une chronologie des variations glaciaires couvrant la période holocène, dont les résultats sont comparés à d'autres enregistrements paléoclimatiques régionaux à haute résolution. Les résultats révèlent un schéma des fluctuations glaciaires holocènes comparable à celui généralement admis dans le reste des Alpes, avec la mise en évidence de récurrences glaciaires importantes au début de l'Holocène, antérieures à 9.3 ka, et la datation du début de la période du Néoglaciaire dès 4.2 ka. Une contrainte précise des différents stades de la seconde moitié de l'Holocène a pu être obtenue sur le site de la Mer de Glace grâce à l'approche dendroglaciologique sur bois subfossiles (Pinus cembra). Ce site apparaît d'ores et déjà comme l'un des plus importants pour l'étude de cette période puisque la chronologie établie couvre les 4000 dernières années et représente le quatrième enregistrement de cette précision à être développé dans les Alpes. Les datations obtenues indiquent en outre un synchronisme marqué des maxima glaciaires à l'échelle régionale, ce qui suggère une similarité des forçages sur la frange occidentale des Alpes. Les différences observées avec les chronologies du reste de la chaine s'expliqueraient principalement par les caractéristiques des glaciers étudiés, en particulier leur temps de réponse différent. / Mountain glaciers are one of the most reliable climatic proxy on Earth through their rapid response to slight changes in forcing and their wide distribution. For these reasons glacial chronologies constitutes reference series against which other paleoenvironmental reconstructions are evaluated. In the current context of global warming and glacier withdrawal worldwide, the building of such records is increasingly needed to assess these rapid and dramatic changes on the longer Late Quaternary timescale. The Holocene glacier fluctuations are now fairly well known in the Central and Eastern Alps, but datas from the Western Alps are extremely sparse, and the chronology of glacier fluctuations before the second half of the Little Ice Age (LIA) ss (1570-1850 AD) is thus poorly constrained. To fill this gap, we carried out a study on several sites distributed in three glaciated range of the French Alps (Mont Blanc, Belledonne, Ecrins). We choose a multi-proxies approach based on the implementation of several dating methods (dendrochronology, Cosmic Ray Exposure dating with 10Be, lichenometry, radiocarbon) – some of which were used for the first time on these spatial- and time-scales. This approach allowed us to propose a glacial chronology spanning the Holocene. Moreover, strength and weakness of the different methods used are discussed, and the results are compared to other high resolution proxies from the Great Alpine Region. Our results shows a picture broadly similar to the Holocene glacier variations model currently accepted in the European Alps : we shows evidence for large Early-Holocene advances prior to 9.3 ka and for the beginning of the Neoglacial period from 4.2 ka onwards. An accurate dating of the Neoglacial stadials was possible at Mer de Glace through the use of a dendroglaciological approach on subfossil woods (Pinus cembra). This site already appears as one of the most interesting in the whole Alps to study the Neoglacial period, as the chronology established there spans the last 4 ka and is the 4th record of this kind builds in the Alps. The datings presented here reveals a marked synchroneity for Neoglacial maxima at the Alpine scale, which could indicate similar forcing on glaciers from the Western fringe. Main discrepancies between the records could be explained by topographic and size characteristics of the studied glaciers, as expressed by their response time.

L'étude de la dynamique de la lithosphère, en particulier les processus de transports verticaux et horizontaux de matière, requiert de pouvoir reconstruire avec la plus grande précision l'évolution géodynamique des chaînes de montagne. C'est le rôle des trajets pression-température-temps-déformation (P-T-t-e) qui permettent, pour un fragment de roche, de reconstruire son histoire à partir de l'étude texturale et chimique des minéraux métamorphiques à l'équilibre. En effet, les roches métamorphiques présentent des mosaïques de paléo-équilibres thermodynamiques locaux entre des minéraux de paragénèses qui cristallisent à différentes conditions de pressions et de températures. Le problème abordé dans ce mémoire est celui de la reconstruction des trajets pression-température, en combinant l'utilisation d'approches thermobarométriques directes, comme les pseudosections calculées par minimisation d'énergie, et indirectes, comme la technique du multi-équilibre avec une vision en deux dimensions grâce à une approche micro-cartographique. Cependant, l'utilisation conjointe de techniques d'imagerie chimiques et d'estimations thermobarométriques requiert un grand nombre de calculs, et donc des logiciels conviviaux à la disposition de la communauté. Dans cette thèse, nous proposons des programmes pour la cartographie et les calculs thermodynamiques, puis un nouveau modèle de solution solide pour les chlorites et, enfin, des exemples d'applications dans les Alpes et en Himalaya. Nous avons développé un jeu de programmes écrits en Matlab, qui permettent (1) de traiter des images chimiques et de calculer des cartes pression-température : XMapTools, et (2) de chercher des équilibres thermodynamiques et de tracer des réactions chimiques : PT-lines, MultiPlot et Meamp. Un modèle de solution solide pour les chlorites a été proposé en ajoutant un pôle pur di-trioctahédriques. Ce modèle permet de calculer, par minimisation d'énergie, des pseudosections à basse température, ou encore de modéliser des interactions fluide-roche. Dans un deuxième temps, nous proposons d'appliquer les techniques de micro-cartographie et de thermobarométrie à des exemples naturels variés afin d'essayer d'apporter des contraintes supplémentaires pour reconstruire des modèles d'évolutions géodynamiques des chaînes de subduction-collision. Pour les Alpes, des trajets P-T-e et P-T-t ont été proposés pour des unités où jusqu'ici, faute de techniques disponibles, les estimations étaient basées uniquement sur la présence de minéraux index du métamorphisme. Ces nouvelles données ont permis de mettre en évidence un fort couplage entre l'exhumation du prisme océanique et l'écaillage crustal de la plaque continentale subduite. Pour l'Himalaya, nous avons montré qu'il est possible de reconstruire un trajet pression-température continu à partir d'images chimiques en utilisant notre nouvel outil : XMapTools. / The study of the lithosphere dynamics such as vertical and horizontal material transport processes requires the detailed reconstruction of the geodynamic evolution of the mountain belts. These geodynamic models are classically constrained using pressure-temperature-time-deformation (P-T-t-e) paths unravelled from textural and chemical study of metamorphic rocks fragments. Metamorphic rocks are made by mosaic of local thermodynamic equilibria involving minerals that grew at different temporal, pressure, and temperature conditions. The topic of this thesis is the reconstruction of pressure-temperature paths by combining direct techniques such as pseudosection computed by energy minimization and inverse techniques such as multi-equilibrium, in space, i.e. two-dimensions, using a micro-mapping approach. The use of chemical images and thermodynamic modelling requires user-friendly programs freely available for the community. In this thesis, we first propose a set of programs and a new solid solution model for chlorite and also two application examples are proposed in the Alps and the Himalaya. We propose a set of programs written in Matlab (1) for microprobe image processing and the computation of pressure temperature maps: XMapTools, (2) for multi-equilibrium calculations using different thermodynamic data and solid solution models: PT-lines, MultiPlot and Meamp. A new solid solution model for chlorite is presented including a di-trioctahedral chlorite end-member. This model can be used to calculate pseudosection phase diagrams and for fluid-rock interaction modelling. Thermodynamic modelling and micro-mapping techniques are used together to add new constraints to the geodynamic models of subduction-collision mountain belts. In the French Western Alps, P-T-e and P-T-t paths are recovered for some metamorphic units in which the available estimates were only based on the occurrence of index minerals. These new thermobarometric and radiometric data indicate a strong coupling between the exhumation of the oceanic accretionary wedge and the continental subducting plate. In The Himalaya, we studied a new eclogite occurrence and we propose a detailed and continuous P-T path calculated using our newly created program XMapTools.

Le but de cette étude est de caractériser par une approche multi-disciplinaire les déformations tectoniques Plio-Quaternaire associées au système de failles de Belledonne (Alpes de l'Ouest).Ce système de faille est composé de plusieurs décrochements qui sont des Bauges au Vercors, la faille dextre NE-SW de l'Arcalod, la faille bordière de Belledonne, dextre et NE-SW, la faille sénestre NW-SE du Brion et la faille NE-SW dextre du Jasneuf.La détermination des états de contraintes tardi-Cénozoique montre que le champ de contrainte actuel responsable de la cinématique en décrochement le long du système de faille de Belledonne date de la fin du Pliocène supérieur/début du Pléistocène et a succédé au champ de contrainte causé par la collision alpine.Les failles de l'Arcalod et du Brion présentent des marqueurs morphologiques décalés mais ambiguës et d'âge incertain (probablement anté-Rissiens). La trace de la faille bordière de Belledonne n'a pu être déterminée, suggérant que la déformation associée à cette dernière soit accommodée dans une large bande de cisaillement.La faille du Jasneuf décale des morphologies d'âges supposés messiniens et anté-Rissiens. La vitesse de cette faille intégrée depuis le messinien serait de 0,13±0,03 mm/an. Considérant que cette faille est limitée à la couverture elle pourrait générer des séismes de magnitude 5,7 tous les ~500 ans.L’accommodation de la déformation actuelle dans l'avant-pays a été étudié dans la vallée de Toulaud (SW de Valence) où une faille tardi-hercynienne recoupe le canyon messinien du Rhône. Les premiers résultats indiquent que la faille décale verticalement le canyon, attestant d'une tectonique Plio-Quaternaire. / The aim of this study is to characterize the Plio-Quaternary tectonic deformations related to the Belledonne fault system (western Alps). The low deformation rates and high erosion rates in the study area imply that a multi-disciplinary approach.From the Bauges to the Vercors massif this fault system is composed of strike-slip faults that are the NE trending right-lateral strike-slip Arcalod fault, the NE trending right-lateral strike-slip Belledonne border fault, the NW trending left-lateral strike-slip Brion fault and the NE trending right-lateral strike-slip Jasneuf fault.The determination of the late Cenozoic stress states revealed that the modern stress field responsible for the Belledonne fault system strike-slip kinematics dates from late upper Pliocene/early Pleistocene and came after the stress field caused by alpine collision.Unclear and undated (but probably pre Rissian) offset morphologic markers are described along the Arcalod and Brion faults. Belledonne border fault trace is not determined suggesting that deformation is accommodated in a wide shearing band.The Jasneuf fault offset morphologies whom ages are supposed Messinian and pre Rissian. Fault slip rate integrated since Messinian would be of 0.13±0.03 mm/yr. Considering that this fault appears limited to the sedimentary cover and excluding an aseismic behavior, she can generate 5.7 Mw earthquake each ~500 years.Modern deformation in the foreland is studied in the Toulaud valley (SW of Valence city) where a late Hercinian fault cross-cut the Messinian canyon of the Rhône river. First results show that the fault offset vertically the canyon, attesting aof Plio-Quaternary tectonics along it.

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. / Serpentinites are an important component of the oceanic lithosphere formed at (ultra-) slow spreading ridges. Because these rocks are a large reservoir of water, fluid mobile elements (FME), halogens and volatiles, it has been proposed that they play a major role during chemical exchange occurring between the subducted lithosphere and the mantle wedge in subduction zones. The aim of my PhD was to characterize the nature and the composition of the fluids transferred from the slab to the mantle wedge by studying metamorphic alpine ophiolites. Those ones are mostly composed of serpentinites and have recorded different metamorphic conditions modeling a subduction gradient. The petrological studies of alpine ophiolites demonstrate that they record different serpentinization and deserpentinization steps: (1) from oceanic serpentinization and the formation of lizardite and chrysotile assemblages, (2) to the prograde destabilization of oceanic serpentine into antigorite, from greenshist to blueschist facies, and (3) finally the dehydration of antigorite into secondary olivine at eclogite facies. The chemical analyses of trace elements by LA-ICPMS and volatiles and halogens by SIMS show that during subduction, the serpentinization processes took place in a relatively closed system without significant external fluid contamination from sediments. In the shallowest part of the oceanic lithosphere, the deformation enhances the mobility of trace elements and permits their redistribution and the homogenization of antigorite composition at kilometric scale. While in the deepest part, the trace element mobility is reduced and localized in metamorphic veins that correspond to channel fluid flows. The successive crystallization of antigorite and secondary olivine are accompanied by a decrease of FME (B, Li, As, Sb, Ba, Cs…), halogens (F, Cl) and volatiles (S) concentrations. The quantification of Fe3+/FeTot by wet chemistry and XANES spectroscopy in serpentinites and serpentine show that, in the first stages of subduction, the transition lizardite to antigorite is accompanied by a strong reduction of the iron. This reduction is nonlinear with metamorphic grade, but also depends on the initial chemistry of the peridotitic protolith. At higher metamorphic grade, the beginning of the deserpentinization process occurs in a ferrous environment, leading to a new oxidation of the remaining antigorite. To conclude, serpentinites are a vector of element transfer from the ridge to subduction zones. During subduction and during the phase changes of serpentine, the FME, volatile and halogen concentrations of serpentine decrease, suggesting that they are removed in a fluid phase that can potentially contaminate the mantle wedge. The composition and the nature of this fluid phase vary during prograde metamorphism. In the first stages of subduction, during the transition lizardite to antigorite, the released fluids are FME, volatiles and halogens rich. They could oxidize the mantle wedge peridotite (e.g. SOX, H2O or CO2) where they allow the crystallization of a FME, volatils and halogens-rich serpentine. At greater depth, the formation of a Fe3+-rich antigorite associated with secondary olivine suggests a H2 production during slab dehydration.

Cette étude de terrain du massif des Ecrins (Alpes Occidentales, zone externe) montre que le raccourcissement Alpin est essentiellement accommodé dans le socle par des zones de cisaillement inverse top-vers-l'ouest ductile-fragile (probablement localisé par la présence de demi-graben) ainsi que par les nappes de charriage de la Meije et du Combeynot à l'Est du massif. Les failles normales N-S ne semblent pas avoir été réactivées. Ces zones de cisaillement sont caractérisées par une phengitisation des feldspaths le long de bandes anastomosées dont la géométrie traduit un gradient de déformation qui permet d'expliquer la formation des "plis de socle" soulignée par la géométrie des téguments de Trias. Les températures maximum d'enfouissement liées au charriage des unités internes sont proches de l'isotherme 335°C pour un gradient géothermique compris entre 20 et 25°C.km-1 depuis Bourg d'Oisans au Front Pennique. Les zones de cisaillement ont été datées entre 33 et 25 Ma (40Ar/39Ar sur phengites syn-cinématiques), ce qui suggère qu'elles ont été initiées très tôt après l'enfouissement de la zone externe qui débute vers 34Ma. Les phyllonites présentent des âges plus jeunes que les mylonites, ce qui traduit une localisation de la déformation le long de ces bandes anastomosées de faible résistance entre 30 et 25Ma. Le raccourcissement NO-SE observé le long du Front Pennique semble synchrone des déformations E-O à NESO du massif des Ecrins. La présence d'une zone de cisaillement transpressive senestre diffuse entre le massif des Ecrins et les Alpes Ligures, issu de la réactivation d'une zone de transfert Liasique, permettrait d'expliquer en partie la cinématique d'édification Oligocène des Alpes Occidentales. Au Miocène, la déformation se localise le long d'un plan de chevauchement sous le massif de Belledonne, donnant naissance au Vercors, ainsi que le long du Front Pennique réactivé en faille normale. / This field-based study of the Ecrins massif (Western Alps, external zone) show that the Alpine shortening is accomodated within the basement by brittle-ductile top-to-the-west reverse shear zones (probably localized by half-graben) as well as by the thrust sheets of La Meije and Combeynot to the east of the massif. The N-S normal fault do not seems to be reactivated. These shear zones are characterized by a phengitisation of feldspars along anastomosing planes whose geometry reflect a strain gradient which explain the "basement folds" formation underlined by the geometry of Triassic teguments. The maximum temperatures reach by the cover, due to the burial under the internal nappes are close to the isotherms 335°C for a geothermal gradient close to 20-25°C.km-1 from Bourg d'Oisans to the Penninic Frontal Thrust (PFT). The shear zones were dated between 33 to 25 Ma (40Ar/39Ar on syn-kinematics phengites), suggesting that they were initiated slightly after the burial which start close to 34 Ma. The phyllonites show younger ages than mylonite; that argue a localization of the deformation along these anastomosing planes between 30 to 25Ma and traduce a weak crust. The NW-Se shortening observed alonf the PFT seems to be coeval with the E-W to NE-SW shortening of the Ecrins massif. A sinistrial transpressive diffuse shear zones between the Ecrins massif and the Ligurian Alps, which is probably a reactivated Liassic transfer zone, can explaina part of the Oligocene building kinematics of the Western Alps. During Miocence, the deformation is localized along a crustal thrust under the Belledonne massif, which has given the Vercors massif, and along the PFT, reactivated as a normal fault.