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

L'altération chimique des roches primaires et des minéraux dans les systèmes naturels a un impact majeur sur la formation des sols et leur composition. L'altération chimique est largement pilotée par la dissolution des minéraux. Les éléments chimiques libérés dans les eaux souterraines par la dissolution des minéraux réagissent facilement pour former des minéraux secondaires comme les argiles, zéolites et carbonates. Les carbonates se forment par réaction des cations divalents (Ca, Fe et Mg) avec CO2 dissous tandis que la formation des kaolins et de la gibbsite est attribuée à l'altération des minéraux riches en aluminium, le plus souvent les feldspaths. Le projet Carbfix à Hellisheiði (sud-ouest de l'Islande) a pour but d'utiliser les processus d'altération naturelle pour former des minéraux carbonatés par réinjection dans les roches basaltiques environnantes de CO2 provenant d'une centrale géothermique. Ce processus trouve son origine dans la dissolution des roches basaltiques riches en cations divalents (Ca, Fe et Mg) qui se combinent au CO2 injecté pour former des minéraux carbonatés. Cette thèse est centrée sur la dissolution du basalte cristallin de Stapafell qui est composé essentiellement de trois phases minérales (plagioclase, pyroxène et olivine) et qui est riche en cations divalents. La vitesse de libération des éléments du basalte à l'état stationnaire et loin de l'équilibre a été mesurée dans des réacteurs à circulation à des pH de 2 à 12 et des températures de 5 à 75°C. Les vitesses de libération de Si et Ca à l'état stationnaire présentent une variation en fonction du pH en forme de U avec une diminution des vitesses lorsque le pH augmente en conditions acides et une augmentation avec le pH en conditions alcalines. Les vitesses de libération du silicium par le basalte cristallin sont comparables à celles par le verre basaltique de même composition chimique aux faibles pH et aux températures ≥ 25°C mais elles sont plus lentes aux pH alcalins et aux températures ≥ 50°C. Par contre, les vitesses de libération de Mg et Fe diminuent de manière monotone avec l'accroissement du pH à toutes les températures. Ce comportement a pour cause les variations contrastées, en fonction du pH, des vitesses de dissolution des trois minéraux constitutifs du basalte: plagioclase, olivine et pyroxène. Les vitesses de libération des éléments déduites de la somme des vitesses de dissolution du plagioclase, pyroxène et olivine normalisées à la fraction volumique de ces minéraux sont, à un ordre de grandeur près, les mêmes que celles mesurées dans cette étude. En outre, les résultats expérimentaux montrent que, durant l'injection d'eaux chargées en CO2 de pH proche de 3.6, le basalte cristallin libère préférentiellement Mg et Fe en solution par rapport à Ca. L'injection de fluides acides chargés en CO2 dans des roches cristallines basaltiques peut donc favoriser la formation de carbonates de Mg et Fe aux dépends de la calcite aux conditions de pH acides à neutres. Le plagioclase, qui est la phase la plus abondante du basalte, influence fortement la réactivité de ce dernier. La vitesse de dissolution du plagioclase, basée sur la libération de la silice, présente une variation en forme de U en fonction du pH, diminuant lorsque le pH augmente aux conditions acides mais augmentant avec le pH aux conditions alcalines. En accord avec les données de la littérature, la vitesse de dissolution du plagioclase à pH constant, en conditions acides, augmente avec sa teneur en anorthite. L'interprétation et le fit des données obtenues suggèrent que la vitesse de dissolution du plagioclase est contrôlée par la décomposition d'un complexe activé riche en silice, formé par le départ de Al de la structure du minéral. Le plus remarquable, par comparaison aux hypothèses antérieures, est que la vitesse de dissolution du plagioclase en conditions alcalines est indépendante de sa teneur en anorthite - e.g. les vitesses de dissolution des plagioclases riches en anorthite augmentent avec le pH aux conditions alcalines. A ces conditions, il est probable que la vitesse de dissolution rapide du plagioclase domine, en raison de sa forte teneur en Ca, la libération vers la phase fluide des cations divalents du basalte cristallin. La gibbsite est généralement le premier minéral qui précipite lors de la dissolution du plagioclase. C'est un hydroxyde d'aluminium que l'on trouve dans divers sols et qui est aussi la phase principale des minerais de bauxite. Les vitesses de précipitation de la gibbsite ont été mesurées dans des réacteurs fermés, en conditions alcalines à 25 et 80°C, en fonction de l'état de saturation du fluide. Les analyses des solides après réaction ont démontré que la précipitation de gibbsite s'est produite dans toutes les expériences. L'interprétation de l'évolution dans le temps de la chimie du fluide réactif fournit des vitesses de précipitation de la gibbsite qui sont près des vitesses de dissolution du plagioclase. En plus, des vitesses de précipitation de la gibbsite diminuent plus rapidement que des vitesses de dissolution du plagioclase quand le pH descende. Ceci suggère que l'étape limitant de l'altération du plagioclase sur la surface de la terre est plutôt la consommation d'Al par formation de la gibbsite que la dissolution même du plagioclase. La kaolinite est en général le second minéral formé après la gibbsite lors de la dissolution du plagioclase à basse température. Les vitesses de précipitation de la kaolinite ont été mesurées dans des réacteurs à circulation à pH = 4 et t = 25°C, en fonction de l'état de saturation du fluide. Au total, 8 expériences de précipitation de longues durées ont été réalisées dans des fluides légèrement supersaturés par rapport à la kaolinite, en utilisant comme germes pour la précipitation une quantité connue de de kaolinite de Géorgie (KGa-1b) contenant peu de défauts et préalablement nettoyée. Les vitesses de précipitation de kaolinite mesurées sont relativement lentes comparées aux vitesses de dissolution du plagioclase. Cette observation suggère que la formation de kaolinite lors de l'altération est limitée par sa vitesse de précipitation plutôt que par que la disponibilité en Al et Si issus de la dissolution du plagioclase. L'ensemble des résultats de cette étude fournit un certain nombre de principes scientifiques de base nécessaires à la prédiction des vitesses et des conséquences de la dissolution du basalte cristallin et du plagioclase à la surface de la Terre et lors de l'injection du CO2 à proximité de la surface dans le cadre des efforts de stockage du carbone. Les résultats obtenus indiquent, bien que les vitesses de précipitation de la gibbsite soient relativement rapides, que la vitesse de précipitation relativement lente de la kaolinite peut être le processus contrôlant la formation de ce minéral à la surface de la Terre. Cette observation souligne la nécessité de poursuivre la quantification de la précipitation de ce minéral secondaire aux conditions typiques de la surface de la Terre. En outre, comme les proportions des différents métaux divalents libérés par les basaltes cristallins varient sensiblement avec le pH, la carbonatation des basaltes doit produire un changement systématique de l'identité des minéraux carbonatés et des zéolites précipités en fonction de la distance au puits d'injection. Cette dernière conclusion pourra être directement testée dans le cadre du projet CarbFix actuellement conduit à Hellisheiði en Islande.

L'énergie solaire est connue pour sa nature intermittente par rapport aux ressources d’énergie fossile. Cette observation souligne la nécessité d'utilisation d’un système de stockage d'énergie thermique. Le système de stockage thermocline est considéré comme un système de stockage rentable. La présente thèse vise à étudier le potentiel des roches basaltiques et siliceuses comme des candidates matériaux de stockage pour les centrales solaires concentrées. Les études expérimentales des propriétés thermo-physiques et thermomécaniques de ces roches à des températures allant jusqu'à 1000°C montrent que ces roches offrent de bonnes propriétés thermiques par rapport aux matériaux classiques de stockage. L'analyse du système de stockage thermocline sur un lit de roches à air direct est réalisée par une approche numérique. En outre, cette recherche vise également à évaluer l’impact environnementale de ce type de système de stockage en effectuant une analyse comparative de son cycle de vie. Enfin, une étude complémentaire réalisée dans le but de produire une carte d'indice de pertinence a permis d’identifier les zones les plus appropriées pour la construction des centrales solaires en Egypte. L'originalité de cette approche alternative pour le stockage d'énergie thermique est qu’elle combine la performance et la disponibilité des matériaux de stockage tout en réduisant leurs impacts environnementaux et financiers. / Compare to fossil fuel energy resources, solar energy is known for its intermittent nature. This observation highlights the need for the use of a thermal energy storage system. The thermocline storage system is considered as a cost-effective storage system. This thesis aims to study the potential of basalt and silex rocks as candidate storage materials for concentrated solar power plants. Experimental studies of the thermo-physical and thermo-mechanical properties of these rocks at temperatures up to 1000°C show that these rocks offer good thermal properties compared with conventional storage materials. The analysis of the thermocline storage system of air rock-packed bed is carried out using a numerical approach. This research also aims to assess the environmental impact of this type of storage system by conducting a comparative analysis of its life cycle. Finally, a complementary study carried out with the aim of producing a relevance index map made it possible to identify the most suitable areas for the construction of solar power plants in Egypt. The originality of this alternative approach for thermal energy storage is that it combines the performance and availability of storage materials while reducing their environmental and financial impacts.

L'activité volcanique Cénozoïque de la plaque arabique offre l’exemple d’un volcanisme intra-plaque développé dans un contexte géodynamique complexe. Après la construction des trapps basaltiques du plateau yémeno-ethiopien, vers 31 Ma, à partir de l’Oligocène terminal, une importante activité volcanique se développe, liée à la déchirure du bouclier arabo-nubien (l’ouverture de la Mer Rouge) et la convergence des plaques Arabique et Eurasienne (zone de suture du Bitlis-Zagros). Au nord de la plate-forme arabique, le volcanisme syrien s’implante dans un contexte général de compression, autour de la ceinture de plissement des Palmyrides et des zones de déformation adjacentes (graben de l'Euphrate et système de faille de la Mer Morte). Cette thèse porte sur l'évolution volcano-tectonique de la partie nord de la plaque Arabique, en particulier celle de la Syrie, combinant des études géochronologiques, géochimiques et morpho-structurales et modélisation géophysique. Notre analyse morpho-structurale de la province volcaniques de Harrat Ash Shaam (HASV), au sud des Palmyrides, a permis de caractériser numériquement plus de 800 cônes volcaniques monogéniques répartis entre le Sud Syrien, la Jordanie et le Nord de l’Arabie Saoudite. Cette étude de la distribution des cônes volcaniques, jointe aux données existantes sur l’épaisseur de la couverture sédimentaire traversée démontre que la corrélation négative constante entre l’intensité des éruptions volcaniques et la profondeur au socle est, de fait, influencée par le contexte tectonique. L’analyse normative de la distribution des cônes volcaniques, comparée à l'épaisseur des sédiments, est essentielle pour caractériser la tectonique d'extension dans des différentes zones. La télédétection, les observations sur le terrain, et notre base de données de plus de 40 nouvelles datations potassium-argon, entre 50 ka et 18 Ma, nous permettent de préciser l’évolution volcano-tectonique de la Syrie. Cette approche pluri-disciplinaire, appliquée au plateau du Al-Lajat, le champ volcanique le plus récent de HASV, nous a permis, d’abord, de proposer un modèle chronologique pour le processus d'altération en relation aux changements paléoclimatiques du Quaternaire. Elle a surtout permis de reconstituer l'évolution volcano-tectoniques du Nord de la plaque arabique, au cours du Cénozoïque et de situer différents styles d’extension responsables de l’activité volcanique. Le volcanisme commence à la fin de l’Oligocène et au Miocène inférieur, entre ~ 26 Ma et ~ 16 Ma, au sud des Palmyrides, dans la province de HASV, dans un contexte tectonique extensif. Du Miocène au Quaternaire, entre ~ 19 Ma et ~ 0,08 Ma, des champs volcaniques se développe au nord des Palmyrides, conséquence d’extensions tectoniques de second ordre. A partir du milieu du Miocène, la compression augmente et le développement magmatique se poursuit potentiellement dans une ambiance tectonique de rotation antihoraire. Au sud des Palmyrides cela correspond à l’activité volcanique constante au cours des 13 derniers millions d’années. Au nord, cette phase d’activité liée à la tectonique de rotation est concentrée dans l’espace et le temps ; elle correspond au Plateau d’Homs, dans le NW Palmyre, entre 6,3 et 4,3 Ma.Nous proposons un nouveau modèle d'évolution volcano-tectoniques pour la province volcanique de HASV. Il souligne le rôle essentiel joué par l'hétérogénéité de la lithosphère (sous les chaînes du Liban – anti-Liban et la zone de plissement des Palmyrides) dans la formation du volcanisme à partir du milieu du Miocène. Nos modèles géophysiques permettent d’estimer à ~150 km la profondeur moyenne de la limite lithosphère-asthénosphère. A l’analyse des données géochimiques des laves, la zone à l’ouest de HASV où cette limite apparaît moins profonde, à ~ 110 km, s’expliquerait par une anomalie thermique plutôt que par une remontée asthénosphérique. Géochimiquement, les laves Cénozoïques syriennes sont alcalines et sub-alcalines et présentent les caractères de magma émis dans un contexte continental intra-plaque. Ce sont des basanites et des téphrites, des basaltes, des andésites et des trachy-andésites basaltiques et des trachybasaltes. 30 échantillons des différentes provinces volcaniques syriennes montrent une variation significative des signatures des éléments traces incompatibles. Le processus de genèse de ces magmas montre une influence négligeable de la contamination crustale, et un effet de la cristallisation fractionnée limité à l'olivine et au clinopyroxène. Nos résultats montrent que les laves syriennes ont été produites par des taux variables de fusion partielle à partir de niveaux différents dans le manteau lithosphériques présentant localement des hétérogénéités. Le rapport LREE / MREE nous permet de montrer non seulement comment le degré de fusion partielle varie spatialement et temporellement au cours des derniers 18 Ma, mais encore d’illustrer comment varie le degré et le style de la tectonique au cours de cette période. L’une des conséquences de ce contexte tectonique pourrait être la migration d’hydrocarbures vers l’ouest du fait de l’extension crustale au Plio-Quaternaire dans la zone du graben de l’Euphrate à l’Est ; cette migration pourrait être guidée vers une zone de la croûte préalablement fracturée située au NW de la Syrie.En conclusion, le volcanisme cénozoïque de la Syrie résulte d’une tectonique extensive, influencée périodiquement par la convergence arabo-eurasienne, au nord et à l’est, convergence qui provoque des styles tectoniques de rotation ; cette tectonique contrôle la fusion partielle à différents niveaux dans le manteau. Le volcanisme du Nord de la plaque arabique se développe dans le cadre de l’ouverture de la Mer Rouge et débute en même temps que l’activité au sud de la mer Rouge. Il se poursuit jusqu’à la période historique, progressivement amorti vers le nord, l’extension étant contrariée par le cadre compressif à la marge Arabie-Eurasie. / The Cainozoic volcanic activity in the Arabian plate offers an excellent opportunity to study the intra-plate volcanism related to a complex tectonic setting. After the emplacement of the Yemeni-Ethiopian continental flood basalt plateau, ~ 31 Ma, since the Late Oligocene, widespread volcanic activity has erupted, accompanying the separation of the Arabian-Nubian Shield (development of Red Sea rifting) and the convergence between the Arabian and Eurasian plates (building of the Bitlis-Zagros thrust belts). In the northern part of the Arabian platform, the Syrian volcanism has taken place in a general compressional context, surrounding the Palmyride fold belt and adjacent to other deformation zones (e.g. the Euphrates graben and Dead Sea fault system). This thesis focuses on the volcano-tectonic evolution of the northern part of the Arabia plate, particularly in Syria, and essentially combines geochronological, geochemical, and morpho-structural studies, in addition to supplementary geophysical models. Our morpho-structural analyses of the Harrat Ash Shaam volcanic province (HASV) to the south of Palmyride, digitally characterise more than 800 monogenic volcanic cones placed in Syria, Jordan, and Saudi Arabia. These new data, together with the availability of sediment thickness data, give rise to a new volcano-tectonic approach. This study shows that the consistent negative correlation between the intensity of volcanism and basement depth is influenced by the tectonic setting. The normative analysis of the distribution of volcanic cones in relation to sediment thicknesses is critical when comparing the extension of tectonics in different zones. Remote sensing imagery, field work and our > 40 new K-Ar ages dataset ranging from ~0.05 million years (Ma) to ~18 Ma allow us to precise the Syria volcano-tectonic evolution through time. Regarding the youngest lava flows of HASV, the integration of the results makes it possible to suggest a chronological model for the alteration processes in relation to Quaternary palaeoclimatic changes. We reconstruct the volcano-tectonic evolution in Syria during the Cainozoic, and suggest different extension styles to explain the volcanism. It started during the Late Oligocene and the Early Miocene, between ~26 Ma and ~16 Ma to the South of Palmyride at HASV in an extensional tectonic context. From the Miocene to the Quaternary, between ~19 Ma and ~0.08 Ma, the volcanism developed to the North under second order extension tectonic conditions. Since the Mid-Miocene, the compression has increased and the magma erupted in relation with a possible counter-clockwise rotation tectonic relative motion. South of Palmyride it corresponds to the widespread eruptive phase during the last 13 Ma. To the North, this phase, linked to rotational tectonics appears concentrated in superficies and time; it corresponds to the Homs plateau, NW Palmyride, between 6.3 and 4.3 Ma. We suggest a new volcano-tectonic evolution model for the HASV. It highlights the essential role of lithosphere heterogeneity beneath Lebanon, in particular the anti Lebanon Mountains and Palmyride thrust belts, in triggering the Mid-Miocene volcanism. Our geophysical models estimate mean lithosphere – asthenosphere boundaries at about 150 km depth. According to geochemical data, the zone of shallowest depth ~110 km, W of HASV, could be the result of a thermal anomaly, instead of an asthenospheric upwelling. Geochemically, the Cainozoic Syrian lavas are alkaline and subalkaline rocks, typical of magma emitted in continental intraplate contexts. They are basanites and tephrites, basalts, basaltic andesites, basaltic trachyandesites, and trachybasalts. Thirty samples from different Syrian volcanic provinces show significant variation in terms of incompatible trace element signatures. Crustal contamination plays a negligible role in the process of magma genesis, as does crystal fractionation, essentially restricted to olivine and clinopyroxene. Our results show that the Syrian lava has been generated by variable rates of partial melting from different levels of a locally heterogeneous lithospheric mantle. The LREE/MREE ratio not only illustrates how the degree of partial melting was changed spatially and temporally during the last ~18 Ma, but it also illustrates how the degree and style of extension tectonics changed through time.