La théorie de la tectonique des plaques permet de décrire les mouvements de premier ordre qui opèrent à la surface de la Terre. S'il est acquis que la convection dans le manteau terrestre en est le moteur, les liens entre les phénomènes profonds et les caractéristiques tectoniques de la surface restent largement méconnus. Jusqu'à très récemment, les modèles de convection du manteau terrestre ne produisaient pas de tectonique de surface pouvant être comparée à celle de la Terre. Récemment, des modèles globaux de convection qui reproduisent une tectonique de surface comparable à la Terre au premier ordre ont été mis au point. Ces modèles produisent des courants mantelliques ascendants et descendants de grande échelle et des déformations localisées en surface dans les zones de divergence et les zones de convergence. Ils génèrent une expansion des fonds océaniques de manière auto-cohérente proche de celle reconstruite pour les 200 derniers millions d'années de l'histoire de la Terre et une dérive de continents similaire à celle observée grâce au paléomagnétisme. Cette thèse s'inscrit parmi les premières tentatives d'utilisation de modèles de convection sphériques auto-organisés à des fins de compréhension de la tectonique de surface. La tectonique produite dans ce type de modèles de convection sera caractérisée finement à travers l'étude des limites de plaques, de leur agencement et de leurs vitesses de déplacement. L'objectif est de pouvoir comparer qualitativement et quantitativement les résultats des calculs de convection avec les reconstructions des mouvements de la surface terrestre grâce à la tectonique des plaques et aux observations de terrain. Dans cette optique, les limites tectoniques ont été définies à la main dans un premier temps afin de comprendre la physique qui gouverne l'agencement caractéristique des plaques tectoniques terrestres. En effet, celle-ci est composée de sept grandes plaques et plusieurs petites dont la répartition statistique indique deux processus de mise en place distincts. Nous avons déterminé les processus responsables de la mise en place de l'agencement caractéristique des plaques tectoniques en surface en faisant varier la résistance de la lithosphère. Plus la lithosphère est résistante, plus la longueur totale et la courbure des zones de subduction diminue à la surface des modèles. Cela s'accompagne également d'une diminution du nombre de petites plaques. En étudiant la fragmentation au niveau des jonctions triples, nous avons montré que les petites plaques étaient associées aux géométries courbées des fosses océaniques. En revanche, les grandes plaques sont contrôlées par les grandes longueurs d'onde de la convection mantellique. Ces deux processus impliquent deux temps de réorganisation, c'est-à-dire l'apparition et la disparition d'une plaque plongeante dans le manteau terrestre (environ 100 millions d'années) pour les grandes plaques, alors que l'échelle de temps de réorganisation des petites plaques dépend des mouvements des fosses et est ainsi plus rapide d'un ordre de grandeur. Afin d'effectuer des analyses quantitatives rapides, des méthodes d'analyse automatique de la surface et de l'intérieur des modèles ont été développées. La première technique concerne la détection automatique des plaques tectoniques à la surface des modèles (ADOPT). ADOPT est un outil de détection basé sur une technique de segmentation d'images utilisée pour détecter des bassins versants. Les champs à la surface des modèles sont transformés en reliefs, soit directement, soit après un processus de filtrage. Cette détection permet d'obtenir des polygones de plaques comparable aux analyses réalisées à la main. Une autre technique de détection a été mise au point pour étudier les panaches mantelliques [etc...] / Plate tectonics theory describes first order surface motions at the surface of the Earth. Although it is agreed upon that convection in the mantle drives the plates, the relationships between deep dynamics and surface tectonics are still largely unknown. Until recently, mantle convection models could not produce surface tectonics that could be compared to that of the Earth. New global models are able to form large-scale ascending and descending mantle currents, as well as narrow regions of localized deformation at the surface where convergence and divergence occur. These models selfconsistently generate an expansion of the oceanic floor similar to that of the last 200 million years on Earth, and continental drift similar to what can be reconstructed with palaeomagnetism. This Ph.D. thesis constitutes one of the first attempts to use self-organised, spherical convection models in order to better understand surface tectonics. Here, the tectonics produced by the models is finely charaterized through the study of plate boundaries, their organisation and their velocities. The goal is to be able to compare qualitatively and quantitatively the results of convection computations with surface motions, as reconstructed using the rules of plate tectonics and field observations. Plate boundaries emerging from the models were first traced and analyzed by hand so as to understand the physics that govern the typical organization of the tectonics plates on Earth. It is characterised by seven large plates and several smaller ones, following a statistical distribution that suggests that two distinct physical processes control the plates’ layout. We have determined the processes responsible for this distribution while varying the strength of the lithosphere (the yield stress). In our models, the stronger the lithosphere, the greater the total subduction length and their curvature, and the fewer the small plates. By studying surface fragmentation with triple junctions, we showed that the formation of small plates is associated with oceanic trench curvature. Large plates, however, are controlled by the long wavelengths of the convection cells. These two processes involve two different reorganisation times, controlled either by the accretion and the subduction of the large plates (about 100 Myrs), or by trench motions for the smaller plates. In order to improve the efficiency of our analysis, we have developed automated methods to study the surface and the interior of the models. The first technique is about detecting the tectonic plates automatically at the surface of the models. It is called ADOPT. It is a tool based on image segmentation technique to detect the watersheds. The surface fields of the convection models are converted into a relief field, either directly or using a distance method. This automatic detection allows to obtain plates polygons similar to the hand analysis. Another technique of detection has been developed to study mantle plumes. These analyzes were used to determine the driving forces behind the plates layout, to quantify the timing of reorganizations and to evaluate the implication of the models rheology on the surface distribution. These new analytical tools and the constant evolution of the quality of mantle convection models allow us to improve our understanding of the link between mantle dynamics and surface tectonics, but also to target necessary improvements in the convection models used

Dans les zones de subduction, de nombreux indices attestent la circulation de fluides au-dessus de la plaque plongeante et dans le coin de manteau. L'interaction de péridotites avec des fluides aqueux issus de la déshydratation de la plaque plongeante favorise la formation de serpentinites à antigorite. Les interactions fluides-roche se font sous plusieurs formes : diffusion à l'état solide, percolation aux joints de grains et pression-solution. Afin d'étudier ces différentes interactions dans les conditions du coin de manteau, de l'antigorite et de l'eau ont été placées à haute pression (1.5-3.0 GPa) et haute température (315-540°C) dans une presse Belt ou une cellule à enclumes de diamant. De l'eau D2O a permis de suivre les processus d'inter-diffusion D/H dans l'antigorite et d'identifier les chemins de circulation de fluides et des traceurs de nickel ont été utilisés pour imager les recristallisations. L'analyse de monocristaux par spectroscopie Raman et nano-SIMS a permis de déterminer une loi d'inter-diffusion D/H pour l'antigorite : DD/H (m2/s) = 7.09 x 10-3 x exp(-202(-33/+70) (kJ/mol) /RT). La déformation de l'échantillon est localisées dans des zones de cisaillement ; elle augmente la porosité (jusqu'à 10 fractures/µm) et favorise les interactions fluides-roche. Des textures d'alignement de pores ont été identifiées comme des chemins actifs de circulation de fluides par la comparaison des volumes d'interaction fluides-roche et d'images MEB à haute résolution. Les recristallisations riches en nickel ont été étudiées par analyse EDX et imagerie en électrons rétrodiffusés. Les vitesses de cristallisation augmentent avec la température et la pression / In subduction zones many evidences confirm the circulation of fluids above the subducting slab and in the mantle wedge. The interaction of peridotites and water coming from the dehydration of the subducting slab favors the formation of antigorite serpentinites. Fluid-rock interactions include several processes: solid-state diffusion, percolation at grain boundaries and pressure-solution. In order to study the various interaction processes at the mantle wedge conditions, antigorite and water were interacted at high pressure (1.5-3.0 GPa) and high temperature (315-540°C) in a belt apparatus or in a diamond anvil cell. D2O-water was used as a tracer of D/H inter-diffusion processes in antigorite and in order to image circulation paths for aqueous fluids, and nickel tracers were used to image the recrystallizations. The analyses of single-crystals with a Raman spectrometer and nano-SIMS lead to a D/H inter-diffusion law in antigorite: DD/H (m2/s) = 7.09 x 10-3 x exp(-202(-33/+70) (kJ/mol) /RT). The sample deformation, due to the non-hydrostatic pressure in the belt apparatus, is localized in shear zones; it raises the porosity (up to 10 fractures/µm) and enhances the fluid-rock interactions. Textures of pore alignments were identify as active circulation paths for fluids from the comparison of maps of fluid-rock interactions and high resolution SEM images. Nickel-rich recrystallizations were studied with EDX analyses and backscattered electron imaging. Crystallization velocities raises with increasing temperature and pressure

Comparer les zones de subductions les unes aux autres permet d'éclairer les raisons de leur diversité et de remonter aux forces qui gouvernent leur fonctionnement. Pour permettre cette comparaison statistique, une base de données globale originale, SubductionZones, qui décrit l'ensemble des zones de subduction océaniques du globe a été construite à partir de bases de données globales préexistantes. Les observations qui découlent de l'analyse statistique globale des zones de subduction, souvent inédites et infirmant parfois les résultats d'études antérieures, impliquent une réévaluation des modèles de subduction en vigueur. Des trois « acteurs » mis en jeu dans le processus de subduction (i.e., la plaque subduite, la plaque supérieure et le manteau), la plupart des observations mettent en avant l'influence de la plaque supérieure et de la direction de son mouvement sur la dynamique de la subduction. Les caractéristiques de la plaque subduite et de son panneau plongeant, en revanche, si elles semblent contrôler le mouvement des plaques, ont vraisemblablement une influence limitée sur le mouvement des fosses, le régime tectonique de la plaque supérieure et le pendage du slab. L'influence du manteau et des flux qui l'animent a par ailleurs été mise en évidence dans quelques cas, notamment à proximité des bordures de slabs.<br />Les modèles physiques (analytiques, numériques ou analogiques), pour leur part, complètent la vision instantanée du processus de subduction que donne l'approche statistique en offrant un cadre théorique et dynamique à l'interprétation des observations. L'approche analogique nous a ainsi permis de tester les modalités de l'influence du mouvement de la plaque supérieure dans le contrôle du mouvement de la fosse, de la géométrie du panneau plongeant et de la déformation de la plaque supérieure.

Des liquides ultracalciques primitifs (riches en CaO, pauvres en Al2O3) ont été observés dans la plupart des contextes géodynamiques. Les liquides ultracalciques à néphéline normative (uniquement observés dans les arcs) et les liquides ultracalciques à hypersthène normatif (associés à des basaltes tholeiitiques) ne présentent pas de "signature du grenat" et sont donc générés à P < 3 GPa. Les teneurs élevées en CaO jusqu'à 19,0 %) et les rapports CaO/Al2O3 élevés (jusqu'à 1,8) ne peuvent pas être obtenus par fusion de lherzolites fertiles. L'étude des relations de phases au liquidus de deux liquides ultracalciques (à néphéline et à hypersthène normatifs) montre qu'ils sont en équilibre avec olivine et clinopyroxène pour des conditions P/T très différentes. La comparaison de nos résultats et d'expériences de fusion publiées indique que les liquides à hypersthène normatif proviennent de la fusion d'une source réfractaire à olivine+clinopyroxène±orthopyroxène (lherzolite réfractaire ou cumulat wehrlitique) dans le manteau supérieur. Leur présence traduit des températures très élevées (~1400 °C). Les liquides ultracalciques à néphéline normative résultent de la fusion de wehrlites crustales pour des températures plus basses (1200 °C). Des expériences de fusion de wehrlites à amphibole (fréquemment observées en base de croûte d'arc) montrent que la composition des liquides est contrôlée par la déstabilisation de l'amphibole ; ils sont à néphéline normative et deviennent ultracalciques par augmentation du taux de fusion. Ces liquides sont très similaires aux liquides ultracalciques à néphéline normative naturels, qui sont probablement produits selon la réaction amphibole+clinopyroxène = liquide+olivine. La présence d'amphibole permet d'expliquer les teneurs élevées en alcalins et faibles en silice et les faibles températures de fusion. Ces liquides sont des témoins des interactions entre les basaltes magnésiens d'arc et les cumulats crustaux à amphibole.

La géologie, et plus particulièrement la géophysique, repose sur l’observation, directe et indirecte, de phénomènes se produisant en surface et dans les profondeurs de la Terre. Ces observations nous permettent d’étudier et définir la structure et les dynamiques globales de la Terre. L’étude des ondes sismiques générées par les tremblements de terre les plus puissants permet, par exemple, d’entrevoir la structure des hétérogénéités dans les premières centaines de kilomètres de la Terre. Dans cette thèse, nous nous intéressons au champ d’onde diffracté, qui est composé des arrivées tardives qui suivent les ondes incidentes. Par définition, les ondes diffractés contiennent de l’information liée aux hétérogénéités diffractantes, autrement dit les structures à petite échelle de la Terre, qu’elles rencontrent le long de leur trajet. De ce fait, il est possible d’étudier les variations rapides de vitesses sismiques grâce au champ d’onde diffracté, alors que ces informations seraient perdues dans les méthodes tomographiques à cause des facteurs de régularisation. Afin d’exploiter le champ d’onde diffracté, on a recours aux fonctions récepteurs (« receiver function » en anglais, RF) et à la migration sismique en profondeur de pré-empilage. Les procédures standard de migration sismiques sont de deux types principaux. Le premier type de procédures, dont l’exemple type est la migration en point de conversion communs (« common conversion point » en anglais, CCP) est rapide mais repose sur l’hypothèse fondamentale que les discontinuités que l’on cherche à imager sont horizontales. Le second type de procédures, pour lesquelles on peut citer la « reverse time migration » (RTM), ou la « generalized radon transform » (GRT), ne font pas d’hypothèse sur la structure du sous-sol, mais demandent une forte intensité des calculs et sont de fait souvent limités à des géométries bidimensionnelles. Au cours de ce manuscrit, nous développons une migration sismique de type Kirchhoff qui se base sur des calculs de temps de trajet sismique rapides en trois dimensions et quasiment aucune hypothèse sur la structure du milieu sous-jacent. Cet algorithme efficace nous permet de nous affranchir des traditionnelles limitations à des études 1D ou 2D. Notre principe d’imagerie prend en compte les ondes diffractées transmises et réfléchies, et se place dans la suite des travaux de Cheng et al. (2016). Nous adaptons la migration de type Kirchhoff élastique aux géométries de diffraction inhérentes à la sismologie passive et prenons en compte les multiples de surface. Les temps de trajet de toutes les ondes diffractées sont calculées grâce à la « fast marching method » (FMM). Les amplitudes et la polarité des signaux des RF sont corrigées à l’aide du calcul de figures de diffraction 3D. Pour extraire l’information des conversions transmises et réfléchies de façon cohérente, les résultats pour chaque mode de diffraction sont sommés de plusieurs façons (linéaire, à filtre de phase, et à filtre d’amplitude non linéaire). Afin de démontrer l’efficacité et la précision de notre méthode de migration, nous procédons à des tests synthétiques, aussi bien dans des situations réalistes qu’artificiellement compliquées, en nous servant du logiciel Raysum. Les résultats de ces tests prouvent que cette méthode de migration permet d’obtenir une image fidèle du milieu imagé quasiment sans artéfacts. En intégrant les trois composantes des RF dans la migration, cette méthode de migration est capable d’exploiter l’information d’ondes arrivant avec n’importe quel angle d’incidence et n’importe quel azimut. Finalement, cette méthode de migration multi-mode 3D est appliquée à deux jeux de données de terrain issus de réseaux sismiques déployés au dessus de zones de subduction, en Grèce et en Alaska / In geology, and in particular in geophysics, direct and indirect observations of processes occurring both at the surface of the Earth and at depth are used to understand the structure and dynamics of the Earth. For instance, seismic waves generated by large earthquakes can be used to study the structure of heterogeneities in the first few hundred kilometers inside the Earth. In this work, we use the scattered wavefield, which corresponds to energy arriving after the incident wavefield, to image the Earth. By nature, the scattered waves are linked to the scattering heterogeneities encountered along their propagation path, i.e. the fine scale structure of the Earth. Hence, the scattered wavefield has the ability to highlight structures where rapid velocity variations would otherwise be smoothed out by tomographic regularization, such as the structure of subducting slabs. To extract the information from the scattered wavefield, we resort to receiver function (RF) analysis and pre-stack depth migration. Standard migration procedures either rely on the assumption that underlying discontinuities are horizontal, such as in Common Conversion Point stacking (CCP), or are computationally expensive and usually limited to 2D geometries, such as in Reverse Time Migration (RTM) or Generalized Radon Transform (GRT). Here, we develop a Kirchhoff-type teleseismic imaging method that uses fast 3D travel-time calculations with minimal assumptions about the underlying structure. This provides high computational efficiency without limiting the problem to 1D or 2D geometries. In our method, we apply elastic Kirchhoff migration to transmitted and reflected teleseismic waves (i.e., RF). The approach expands on the work of Cheng et al. (2016). The 3D elastic Kirchhoff migration is adapted to the passive seismology scattering geometry and to account for free surface multiples. We use an Eikonal solver based on the fast marching method (FMM) to compute travel times for all scattered phases. 3D scattering patterns are computed to correct the amplitudes and polarities of the three component input signals. We consider three different stacking methods (linear, phase weighted and 2 nd root) to enhance the structures that are most coherent across scattering modes. To showcase the efficiency and accuracy of our migration procedure, we test it by conducting a series of synthetic tests in both artificially challenging and realistic scenarios. Results from synthetic tests show that our imaging principle can recover scattering structures accurately with minimal artifacts. We show that integrating the three components of the RF into the imaging principle allows to coherently retrieve the scattering potential for arbitrarily dipping discontinuities from all back-azimuths, and are able to retrieve a typical 2.5D subduction zone structure. We apply this novel 3D multi-mode Kirchhoff migration method to two different subduction zones, in Western Greece and Southern Alaska

Dans les zones de subduction, le recyclage de sédiments vers le manteau et la remontée de magmas depuis le manteau jusqu'à la croûte des arcs insulaires représentent des échanges de matière entre la croûte continentale et le manteau terrestre. Nous avons examiné ces échanges de masse en utilisant les compositions isotopiques de l'Hafnium et du Néodyme. Dans la zone de subduction d'Izu-Mariannes, les sédiments subduits présentent des compositions isotopiques de l'Hf et du Nd équivalentes aux compositions de l'eau de mer du Pacifique. La croûte océanique altérée présente des compositions isotopiques identiques à une croûte océanique non-altérée. Dans les zones de subduction de Luzon et de Java, les laves d'arc présentent des compositions isotopiques de l'Hf très radiogéniques par rapport à leurs compositions isotopiques du Nd. Ces compositions des laves d'arc de Luzon et de Java semblent conditionnées par la contamination de leurs sources par des sédiments océaniques subduits.

Mon travail de thèse se propose d'étudier la structure, les propriétés physiques et les processus géodynamiques de la zone de subduction d'Equateur-Colombie grâce à l'adaptation et le développement d'outils d'imagerie sismique (inversion de formes d'ondes 'alias' tomographie en diffraction) et à leur application aux données de sismique marine multitrace (MCS) et grand-angle OBS (WA) acquises en Equateur-Colombie pendant les campagnes SISTEUR et SALIERI. Ces outils m'ont permis de réaliser une imagerie fine et quantitative à trois niveaux : l'imagerie superficielle (~ 0-3 km), l'imagerie à profondeur intermédiaire (~ 3-10 km) et l'imagerie profonde (~ 10-30 km). Dans le domaine superficiel, j'ai effectué une cartographie fine et quantitative des propriétés physiques des sédiments au voisinage du BSR (Bottom Simulating Reflector), interpreté comme la base de stabilité des hydrates de gaz. Sur le profil SIS-40 situé sur la marge sud de la Colombie, j'ai pu identifier la présence de failles qui perturbent localement le BSR. Les résultats présentés sous la forme d' une série de logs adjacents de l'image migrée en profondeur, montrent que certaines régions du BSR sont caractérisées par une augmentation de la vitesse (1470-1650 m/s), indiquant la présence d'une faible quantité d'hydrates de gaz au dessus du BSR; d'autres zones situées immédiatement sous le BSR sont caractérisées par une diminution de la vitesse (~1200 m/s), liée à la présence de gaz libres piégés sous la couche d'hydrate de gaz. A des profondeurs moyennes j'ai étudié la structure du chenal de subduction (profil SIS-72). Le chenal constitue la limite mécanique entre la plaque chevauchante et la plaque plongeante. Il est délimité à son toit par un fort réflecteur interprété comme le décollement interplaque et à sa base par le toit très réflectif de la croûte océanique en subduction. L'imagerie fine et quantitative des propriétés physiques du décollement interplaque permet de mieux comprendre le rôle de la circulation des fluides et des variations lithologiques et physiques, sur le couplage mécanique inter-plaque. En raison de la sensibilité de la méthode de tomographie en diffraction au macro-modèle de vitesse, un code de correction de ce modèle a été implémenté, afin d'obtenir des images tomographiques fiables (i.e. géométrie et amplitudes correctes). Du fait de la bande passante limitée de la source et de la longueur du dispositif d'acquisition limitée à 4.5 km, les images tomographiques ont une résolution spatiale limitée : l'image tomographique présente un déficit des petits et grands nombre d'onde (fréquences spatiales) limitant ainsi l' interprétation géologique des paramètres physiques cartographiés. Un traitement spécifique basé sur la modélisation des traces sismiques a été implémenté. L'image tomographique, traitée comme une série de traces verticales, constitue la donnée observée. L'espace des modèles est constitué par un ensemble de modèles impulsionnels et unidimensionnels de Terre construits aléatoirement. Ces modèles sont dégradés par convolution avec une estimation de l'ondelette source afin de fournir une représentation synthétique de l'image tomographique « observée ». La minimisation de la fonction coût entre les traces migrées et les traces synthétiques est effectuée dans le cadre d'une inversion globale par recuit simulé (VFSA= « Very Fast Simulated Annealing »). Le modèle moyen issu de cette procédure fournit un modèle 2D fin de vitesse, fonction de la profondeur et comparable à la limite de la résolution théorique de la source. A l'issue de ce traitement, des perturbations de vitesse positives sont mises en évidence au toit de la croûte, et d'autres négatives accompagnent certains segments du niveau du décollement. Ces dernières sont probablement associées à la présence de fluides. Le domaine plus profond a été étudié à partir des données MCS et WA dans le double but (1) d'améliorer la résolution spatiale des images sismiques du Moho et du contact interplaque en relation avec la zone sismogène, et (2) de détecter la présence d'anomalies crustales de vitesse et d'analyser leur relation avec les zones d'aspérité sismologiques. L'utilisation conjointe des données de sismique MCS et WA a été mise en oeuvre pour prolonger vers le bas les images de sismique verticale et tenter ainsi d'établir une relation entre les processus profonds et les manifestations en surface. L'application de la chaîne de traitement au profil SIS-44 a permis d'obtenir un modèle de vitesse bien contraint jusqu'à 25 km de profondeur. Ce modèle met en évidence des réflecteurs profonds (Moho et contact interplaque ) et des réflecteurs plus superficiels (splay fault), dont l'interprétation était initialement incertaine sur les images migrées en temps.

Les éléments volatils libérés de la plaque plongeante lors de la subduction jouent un rôle fondamental durant la formation des magmas d'arc dans le coin mantellique. Depuis quelques années, les développements des techniques d'analyse par sonde ionique ont permis l'analyse de ces éléments, en particulier F et Cl, dans les magmas d'arc, et notamment dans les magmas d'arc primaires grâce aux avancées des études sur les inclusions magmatiques. Une récente étude des inclusions magmatiques du Mont Shasta (E. U.) (Le Voyer et al., 2010) a montré que le fractionnement du F et du Cl apportait des informations sur la genèse des magmas d'arc. Afin de caractériser la source de ces magmas, j'ai étudié les coefficients de partage du fluor et du chlore. Dans cette étude, je présente les premiers coefficients de partage du F et du Cl, entre des liquides de fusions silicatés anhydres et hydratés et des minéraux mantelliques tels que olivine, orthopyroxène, clinopyroxène, plagioclase, grenat ainsi que pargasite et phlogopite. Les valeurs sont issues de 300 mesures dans 24 expériences de fusion, réalisées entre 8 et 25 kbars et, 1180 et 1430˚C. Les faibles concentrations en F et Cl dans les minéraux ont été analysées par la sonde ionique Cameca IMF 1280 de WHOI en utilisant le mode d'ions secondaires négatifs. Les résultats montrent que DOpx/meltF varient de 0.123 à 0.021 et DCpx/meltF de 0.153 à 0.083, tandis que DOpx/meltCl varient de 0.002 à 0.069 et DCpx/meltCl de 0.008 à 0.015. De plus, DOl/meltF de 0.116 à 0.005 et DOl/meltCl de 0.001 à 0.004 ; DGrt/meltF de 0.012 à 0.166 et DGrt/meltCl de 0.003 à 0.087 avec l'augmentation de la teneur en eau et la diminution de la température dans les expériences. Je montre aussi que le F est compatible dans la phlogopite (DPhl/meltF >1.2) alors qu'il est incompatible dans la pargasite (DAmp/meltF de 0.36 à 0.63). A l'inverse, Cl est plus incompatible dans la phlogopite (DPhl/meltCl en moyenne 0.09±0.02), que dans la pargasite (DAmp/meltCl de 0.12 à 0.38). Cette étude démontre que F et Cl sont substitués dans des sites spécifiques de l'oxygène, ce qui les rend plus sensibles que les éléments traces aux variations de chimie des cristaux et de la quantité d'eau, et donc aux conditions de fusion. En utilisant ces nouveaux coefficients de partage, j'ai modélisé la fusion de lithologies potentielles du manteau sub-arc permettant de 1) déterminer la quantité de fluide aqueux impliqué dans la fusion, 2) distinguer la fusion induite par apport de fluides de la fusion d'une source à minéraux hydratés et 3) la fusion d'une lithologie à pargasite de celle à phlogopite, et montre que la source de certains magmas primaires d'arc, par exemple d'Italie, contient de la pargasite et de la phlogopite, tandis d'autres magmas primaires d'arc résultent d'une fusion par apport de fluides. / Volatile elements released from the subducting slab play a fundamental role during the formation of arc magmas in the mantle wedge. Advances of melt inclusion studies enlarged the data on volatile abundance in arc magmas, and it is now possible to characterize some volatile contents in arc primary magmas, in particular F and Cl. A recent study of Mt Shasta melt inclusions (LeVoyer et al., 2010) shows that fractionation of F and Cl potentially contains information about arc magma genesis. In order to trace the source of arc magmas, fluorine and chlorine partitioning was investigated. Here, I present new experimental determinations of Cl and F partition coefficients between dry and hydrous silicate melts and mantle minerals: olivine, orthopyroxene, clinopyroxene, plagioclase, garnet and also pargasite and phlogopite. The values were compiled from more than 300 measurements in 24 melting experiments, conducted between 8 and 25 kbars and between 1180 and 1430˚C. The low abundance F, Cl measurements in minerals were done by Cameca IMF 1280 at WHOI using the negative secondary ion mode. The results show that DOpx/meltF ranges from 0.123 to 0.021 and DCpx/meltF ranges from 0.153 to 0.083, while Cl partition coefficient varies from DOpx/meltCl from 0.002 to 0.069 and DCpx/meltCfrom 0.008 to 0.015, as well. Furthermore, DOl/meltF ranges from 0.116 to 0.005 and DOl/meltCl from 0.001 to 0.004; DGrt/meltF ranges from 0.012 to 0.166 and DGrt/meltCl from 0.003 to 0.087 with the increasing water amount and decreasing temperature. I also show that F is compatible in phlogopite DPhl/meltF > 1.2) while DAmp/meltF is incompatible in pargasite DAmp/meltF from 0.36 to 0.63). On the contrary, Cl is more incompatible in phlogopite (DPhl/meltCl > 1.2 on average 0.09 ± 0.02), than in pargasite (DPhl/meltCl from 0.12 to 0.38). This study demonstrates that F and Cl are substituted in specific oxygen site in minerals that lead then to be more sensitive than trace elements to crystal chemistry and water amount variations thus melting conditions. Using those new partition coefficients, I modelled melting of potential sub-arc lithologies with variable quantity aqueous-fluid. This model is able to decipher 1) amount of aqueous-fluid involved in melting, 2) melting induced by fluid or melting of an hydrous mineral-bearing source and 3) melting of either pargasite-bearing lithology or phlogopite-bearing lithology and shows that sources of some primitive melts, for instance from Italy, bear pargasite and phlogopite, while some primitve melts seem to be the results of fluid-induced melts.

La Nappe de Lindås, au sein de l'Arc de Bergen, Norvège, est un massif anorthositique enfoui et partiellement éclogitisé en profondeur au cours de l'orogénèse calédonienne, qui fut relativement protégé de la rétromorphose pendant son retour vers la surface. L'étude de ces roches du faciès éclogitique nous permet donc de mieux comprendre le détail des processus d'éclogitisation et ses conséquences en terme d'exhumation et de circulation crustale dans les zones de collision. Les grenats granulitiques, bien que relativement résistants aux réactions métamorphiques, subissent lors de l'éclogitisation une fracturation intense et une rééquilibration partielle par diffusion à partir de leur frontière. L'observation au MEB (BSE) des différentes générations de grenat associées à l'épisode éclogitique, et l'estimation des compositions minérales d'équilibre par des méthodes thermobarométriques multi-équilibre, permet de mettre en lumière la vitesse de diffusion beaucoup plus lente du Ca par rapport aux cations métalliques dans le grenat granulitique lors de sa rééquilibration dans le faciès éclogitique. La distribution des orientations des fractures qui parcourent les grenats granulitiques hérités, montre que leur formation est la conséquence directe de la diminution de volume associée aux réactions métamorphiques. La propagation à petite échelle des domaines éclogitisés ne procède donc pas simplement par diffusion du fluide, mais par un processus complexe couplant diffusion, réactions métamorphiques et fracturation des minéraux granulitiques. La caractérisation de la cinématique de la déformation dans le faciès éclogitique de l'île d'Holsnøy, au sein de la Nappe de Lindås montre sa grande cohérence à l'échelle de la zone d'étude (5*5 km), reflétant l'action de forces aux limites, plutôt que de contraintes locales liées aux réactions métamorphiques. Le cisaillement en moyenne vers l'Est, géométriquement restauré dans le contexte de la subduction calédonienne, est interprété comme reflétant le découplage d'unités crustales du panneau plongeant, qui commencent ainsi leur retour vers la surface. La validité d'un tel modèle, où l'éclogitisation permet l'initiation de l'exhumation, est analysée dans le cadre du modèle analytique du chenal de subduction. L'éclogitisation, qui n'est ni instantanée ni spatialement homogène, modifie les propriétés de la croûte, notamment sa densité et sa viscosité. Alors que l'augmentation de densité réduit sa flottabilité, son adoucissement mécanique lui permet de se découpler du manteau lithosphérique qui la tire vers la profondeur. La compétition entre ces deux phénomènes, variable suivant la progression des transformations métamorphiques, est intégrée dans un unique paramètre adimensionnel, le nombre d'exhumation, dont la valeur décrit la capacité de la croûte à être exhumée. La subduction d'une croûte à fort nombre d'exhumation entraîne la création dans le canal de subduction d'un flux retour à partir du domaine partiellement éclogitisé. L'analyse des conditions de ce flux retour montre entre autres que les vitesses d'exhumation de l'ordre des vitesses de convergence des plaques lithosphériques ne sont possibles que pendant le régime transitoire entre l'enfouissement de croûte à faible et fort nombre d'exhumation. Ce travail, qui montre l'importance des réactions d'éclogitisation pour l'exhumation et plus généralement pour la dynamique des zones de collision, souligne en conséquence la nécessité de décrire avec précision les mécanismes micro- et macroscopiques qui permettent la progression et la propagation de l'éclogitisation.

Le complexe de Bay of Islands (BOI), situé sur la côte ouest de Terre-Neuve au Canada, est l'un des systèmes de subduction fossiles les mieux préservés de la planète. Le complexe de BOI est constitué de matériel allochtone mis en place sur le continent Laurentia lors de la phase Taconienne de l'orogénèse Appalachienne. Il se compose d'une ophiolite reposant sur une semelle métamorphique. La semelle métamorphique de BOI comprend, du sommet vers la base, des granulites à grenat et clinopyroxène, des amphibolites à grenat et clinopyroxène, des amphibolites communes et des roches métasédimentaires. Deux types de protolithes peuvent être distingués parmi la portion mafique de la semelle : des protolithes cumulatifs gabbroïques avec des Mg# élevés et des compositions appauvris en éléments traces ainsi que des protolithes basaltiques avec des contenus en éléments traces similaires à des N-MORB. La datation de titanite provenant de deux amphibolites communes permet de fixer un âge minimum pour le métamorphisme à 485 ± 4 Ma. Les données détritiques U-Pb sur zircon de la partie métasédimentaire de la semelle de BOI forment un spectre d'âges allant de l'Archéen à l'Ordovicien dominé par la population la plus jeune dont le pic se situe à c. 490 Ma. Ce pic est interprété comme l'âge maximal de déposition des sédiments. L'origine de ces jeunes détritus peut être attribuée au magmatisme associé à l'orogénie Taconienne. Les données obtenues indiquent que 1) l'initiation de la subduction responsable de la formation du complexe de BOI s'est produite dans le domaine océanique possiblement à une faille de détachement avant c. 485 Ma et 2) les sédiments constituant la partie métasédimentaire de la semelle proviennent de la plaque supérieure et se sont déposés sur la plaque inférieure lorsque la subduction était déjà en cours.