Cette thèse présente une étude détaillée de la composition des fluides de haute température du champ hydrothermal de Lucky Strike (37°N, dorsale médio atlantique) s'appuyant sur 3 campagnes d'échantillonnage réalisées dans le cadre de l'observatoire fond de mer EMSO-Açores. Ce champ hydrothermal s'est développé autour d'un lac de lave fossile bordé au Nord-Ouest, Nord Est et Sud Est par des cônes volcaniques plus anciens. En 2013, la découverte du site hydrothermal de Capelinhos à l'Est, et présentant des compositions de fluides inédites à Lucky Strike (concentration faible en Cl et forte en Fe et Mn), nous permet de proposer un nouveau modèle de circulation hydrothermale basé sur l'application de géothermobaromètres (Si ; Si-Cl ; Fe-Mn) chimiques sur 13 évents hydrothermaux. Nous avons défini 5 groupes de sites selon leur chlorinité et leur position par rapport au lac de lave. Les fluides de Capelinhos, dominés par la phase vapeur, sont rapidement extraits de la zone de séparation de phase (estimée à 2600 m sous le plancher océanique). Les fluides à proximité du lac de lave, avec des chlorinités variables, suggèrent un rééquilibrage à des pressions et températures plus faibles qu'à Capelinhos, cohérent avec des processus de refroidissement conductif et/ou d'entrainement de saumures prenant place lors de la remontée des fluides jusqu'à la base de la couche 2A. La fluctuation de la chlorinité témoigne de la variabilité du temps de résidence du fluide dans la zone de remontée, et ses relations avec les caractéristiques physiques de la croûte océanique. Nous avons évalué la variabilité temporelle de la composition des fluides collectés au cours des campagnes effectuées entre 2009 et 2015. Deux échelles de temps sont mises en évidence. (1) l'échelle de l'échantillonnage, i.e. de l'heure, répond à des phénomènes de subsurface, et révèle qu'un fluide hydrothermal refroidi conductivement (T<150°C) est stocké dans la roche poreuse entourant le site de décharge. (2) l'échelle de temps pluri-annuelle montre une fluctuation des conditions de P et T apparentes de la zone de séparation de phase et du degré d'altération du substratum dans la zone de réaction. Les variations intersites du rapport Ca/Na (indicateur du degré d'albitisation) sont dues à la séparation de phase, à l'exception des sites du Sud-Est du lac de lave qui indiquent un degré d'altération plus élevé. La concentration en Li et sa composition isotopique indiquent que le basalte du substratum est relativement frais avec des rapports W/R proches de 1 pour tous les groupes, avec des d7Li du fluide identiques au substratum. Pour le Sr nous calculons des rapports W/R plus élevés, autour de 7-8, qui sont dus au Sr de l'eau de mer initiale qui est partiellement stocké et à la formation de minéraux secondaires(l'albite et l'anhydrite) lors des interactions eau-roche dans le faciès schiste vert. La faible teneur en métaux des fluides situés autour du lac de lave est probablement due à un piégeage en subsurface, équivalent à ~65% du Fe mobilisé dans la zone de réaction (basé sur les teneurs des fluides de Capelinhos). La variabilité de chlorinité des fluides de Lucky Strike offre l'opportunité d'étudier le comportement des terres rares à l'échelle d'un site hydrothermal. Ainsi, nous montrons l'effet de la séparation de phase sur les terres rares légères et lourdes ainsi que le lien entre l'Eu et le cycle géochimique du Sr. Les terres rares dissoutes dans le panache hydrothermal montrent une perte au cours du mélange ainsi que des phénomènes de redissolution visible via la signature isotopique en Nd. Cette modification des compositions isotopiques en Nd de l'eau de mer profonde est similaire au " boundary exchange " observé aux interfaces océan-plateforme continentale. Au vue de la répartition des champs hydrothermaux sur les dorsales océaniques, ce phénomène pourrait avoir un impact sur le bilan océanique du Nd et donner lieu à un phénomène de " ridge exchange ". / This thesis present a detailed study of the composition of high temperature fluid from the Lucky Strike hydrothermal field (37°N, Mid Ocean Ridge) collected during three sampling campaigns within the framework of the deep sea observatory EMSO-Azores. The hydrothermal field has developped around a fossil lava lake framed by three ancient volcanic cones. In 2013, the discovery of a new active site to the East of the system, and presenting an unprecedented fluid composition at Lucky Strike (low Cl concentration and high Fe and Mn concentration), lead to a new model of hydrothermal circulation based on chemical geothermobarometer (Si; Si-Cl) and geothermometer (Fe-Mn) applied to 13 venting sites. We defined 5 groups of sites based on their chlorinity and location around the lava lake. It appears that vapor-dominated Capelinhos fluids were extracted relatively fast from the phase separation zone (estimated at ~2600mbsf). Nevertheless, fluids in the vicinity of the lava lake, both vapor and brine dominated, display P and T conditions of equilibration lower than for Capelinhos fluids. This highlights on-going equilibration process through conductive cooling and/or brine entrainment in the upflow zone up to the layer 2A of the oceanic crust. Chlorinity variations highlight the varying residence time in the upflow of the fluids between vents which depends on physical characteristics of the crust. We studied the temporal variability of fluid composition collected between 2009 and 2015. Two time scales have been evidenced. The first is the sampling scale, i.e. ~1h, and corresponds to subsurface processes indicating that a hydrothermal fluid, conductively cooled (T<150°C), was stored in the porous substratum close to the discharge. The second is at the scale of the year. It shows fluctuations of P and T conditions in the phase separation and different degree of alteration of the substratum in the reaction zone. Intersites variations of Ca/Na ratios (proxies for albitisation) are related to phase separation expected the South Eastern sites that display a more altered substratum. To avoid this issue, we use Li and Sr isotopes which are not affected phase separation. Li concentration and isotopic composition indicates that basalt substratum is relatively fresh with W/R ratio close to 1 calculated for all groups with d7Li of fluid equivalent to substratum. Sr concentration and isotopic composition suggest higher W/R ratio (~7-8) because of seawater Sr partially removed in the recharge. Moreover, other parameters are at play such as secondary mineral formation (albite, anhydrite) during water rock interaction in the greenschist facies. Because the basalt is relatively fresh, the low metal content in the fluid around the lava lake is due to storage, in the subsurface, of approximately ~60-70% of Fe that is mobilized in the reaction zone compared to Fe-Mn rich Capelinhos fluids. Furthermore, the Cl variability from the fluids at Lucky Strike brings a unique opportunity to study the REE distribution from the reaction zone to the discharge into the deep ocean. We show that the LREE are preferentially concentrated into the brine phase. Furthermore, the Eu is linked to the Sr geochemical cycle. Dissolved REE from buoyant plume fluids highlight a scavenging effect. The Nd isotopic compositions indicate redissolution process. This Nd isotopes modification of the deep seawater is similar to the process of "boundary exchange" that occurs at the ocean/continents interface. Considering the global distribution of submarine hydrothermalism, the Nd modification at the ridge could have an impact on the global Nd cycle in the oceans and act as a "ridge exchange".

La géothermie est considérée comme une source d'énergie propre et inépuisable à échelle humaine. Actuellement, le rendement des centrales géothermiques est limité à l'exploitation de fluides de températures inférieures à 350 °C. L'association de l'activité tectonique et volcanique aux dorsales océaniques fait de l'Islande un lieu où l'extraction de fluides supercritiques (T> 375 °C) peut être envisagée. Cette exploitation pourrait multiplier par dix la puissance électrique délivrée par le système géothermal. Ces fluides peuvent-ils circuler dans la croûte océanique ? Ce travail propose de contraindre les observations géophysiques et de prédire le fonctionnement des réservoirs géo-hydrothermaux de très haute température par l'étude des propriétés physiques des basaltes. La première approche est focalisée sur l'étude de roches ayant accueilli une circulation hydrothermale par le passé. L'étude de ces roches au site ODP 1256, montre que leur porosité est associée à la présence de minéraux d'altération hydrothermale du facies amphibolite (T> 500 °C). La seconde approche a consisté à recréer, en laboratoire, les conditions des systèmes hydrothermaux, à très haute température, afin de prédire les propriétés mécaniques et électriques des basaltes dans ces conditions. Les résultats mécaniques indiquent que la transition fragile/ductile, souvent associée à une forte décroissance de perméabilité, intervient à une température d'environ 550 °C. La mise en place d'une cellule de mesure de la conductivité électrique de haute température a fourni les premiers résultats utiles à l'analyse des données géophysiques. Appliqués aux conditions de la croûte basaltique Islandaise, ces résultats indiquent que des fluides hydrothermaux pourraient circuler au moins transitoirement à l'état supercritique jusqu'à ~ 5 km de profondeur.

Les précédentes estimations des températures profondes en France mettent en évidence trois anomalies thermiques positives principales dont une est centrée entre Marseille et Montpellier. Ce travail de thèse présente l'étude du régime thermique du Bassin du Sud-Est à partir d'une réévaluation des températures profondes corrigées des effets thermiques transitoires générés lors des mesures en forage pétrolier. 203 données BHT corrigées et 10 DST (mesures stables) issues de 103 forages ont ainsi été obtenues. Le gradient thermique moyen du Bassin (31,3°C/km) est proche de la moyenne française (32,5°C/km) mais les gradients locaux varient d'environ 20 à 45°C/km. Une analyse géostatistique nous a permis de construire un modèle thermique de représentation 3D de la surface à 6km de profondeur duquel nous avons extrait des coupes et cartes thermiques à différentes profondeurs. De nouvelles anomalies thermiques de plus petite échelle ont ainsi pu être identifiées, certaines étant positives (du côté de Montpellier, Lodève, Gap et La Drôme) et d'autres négatives (dans les Cévennes et la région d'Aix-en-Provence). Une compilation de données géophysiques nous a permis de discuter ces anomalies en termes de géologie locale et de phénomènes à grande échelle (variations de profondeur du Moho, épaisseur des sédiments), mais il semble que des circulations de fluides puissent mieux expliquer la localisation, l'amplitude et les longueurs d'ondes des signaux thermiques qui suivent la direction des failles majeures en surface. Le rôle de la circulation de fluides dans la mise en place et l'évolution des anomalies thermiques au sein des zones de faille est illustré par des modèles numériques en régime stationnaire et transitoire. Ces modèles permettent de reproduire des anomalies de plusieurs dizaines de degrés. Ce phénomène est amplifié lorsqu'une anisotropie de perméabilité est prise en compte. De plus, la dépendance de la perméabilité avec la profondeur permet d'obtenir des superpositions d'anomalies positives et négatives sur un même profil vertical comme nous l'observons sur les coupes thermiques issues des mesures. Loin des zones perméables, les anomalies peuvent s'expliquer par des processus conductifs au sein d'objets dans lesquels les contrastes de conductivité thermique peuvent être importants. L'anisotropie de conductivité dans les formations argileuses peut être responsable du développement d'anomalies proches de celles observées entre les zones perméables. Enfin, les circulations hydrothermales dans les zones de faille associées à des sédiments anisotropes pourraient expliquer la forme, l'évolution en profondeur et l'intensité des anomalies thermiques identifiées.

La géothermie est considérée comme une source d'énergie propre et inépuisable à échelle humaine. Actuellement, le rendement des centrales géothermiques est limité à l'exploitation de fluides de températures inférieures à 300°C. L'association de l'activité tectonique et volcanique aux dorsales océaniques fait de l'Islande un lieu où l'extraction de fluides supercritiques (T°>400°C) peut être envisagée. Cette exploitation pourrait multiplier par dix la puissance électrique délivrée par les puits géothermiques. Ces fluides peuvent-ils circuler dans la croûte océanique ? Ce travail propose de contraindre les observations géophysiques et de prédire le fonctionnement des réservoirs hydro-géothermaux de très haute température par l'étude des propriétés physiques des basaltes. La première approche est focalisée sur l'étude de roches ayant accueilli une circulation hydrothermale par le passé. L'étude de ces roches au site ODP 1256, montre que leur porosité est associée à la présence de minéraux d'altération hydrothermale du faciès amphibolite (T°>500°C ). La seconde approche a consisté à recréer en laboratoire les conditions des systèmes hydrothermaux à très haute température afin de prédire les propriétés mécaniques et électriques des basaltes dans ces conditions. Les résultats mécaniques indiquent que la transition fragile/ductile, souvent associée à une forte décroissance de perméabilité, intervient à une température d'environ 550°C. La mise en place d'une cellule de mesure de la conductivité électrique de haute températures a fournit les premiers résultats utiles à l'analyse des données géophysiques. Appliqués aux conditions de la croûte basaltique Islandaise, ces résultats indiquent que des fluides hydrothermaux pourraient circuler au moins transitoirement à l'état supercritique jusqu'à ~ 5 km de profondeur. / Geothermal energy is considered as a green and infinite energy source at human scale. Currently, the yield of geothermal power plants is limited to temperatures of the operating fluid which 300 °C. From tectonic and volcanic activity at mid-ocean ridges, Iceland is a locuswhere supercritical fluid extraction (T > 400° C) can considered for the near future. Exploiting such fluids could theoretically multiply by a factor of ten the electrical power delivered by geothermal wells. Can such fluids circulate at the base of brittle oceanic crust? This work investigates the petrophysical properties of basalts in order to constrain geophysical observations in Iceland and predict the behavior of very high temperature hydro-geothermal reservoirs. The first approach consisted in studying the physical properties of rocks that have hosted deep hydrothermal circulations at oceanic ridges. The study of these rocks at ODP Site 1256 shows that the porosity mea sured both in the field and in the lab is associated with amphibolite facies alteration minerals (T > 500° C). The second approach was to recreate in the laboratory the conditions of pressure, temperature and pore fluid pressure of high temperature to supercritical hydrothermal systems to predict the mechanical and electrical properties of basalts under these conditions. The mechanical results indicate that the brittle/ductile transition occurs at a temperature of about 550° C, where a strong permeability decrease is expected. The implementation and calibration of a new cell for measuring electrical conductivity at high temperature provide the first results for the interpretation of geophysical data. When applied to basaltic crustal conditions in Iceland, these results indicate that hydrothermal fluids could circulate, at least temporarily, in a supercritical state up to 5 km depth.

Cette thèse visait à mieux définir les méthodes de ciblage et apporter des éléments de réponse sur la genèse des gisements d’or de type orogénique en périphérie des grands couloirs de déformation archéens. Cette thèse est présentée sous forme de trois articles. Le premier article traite de la distribution mathématique des gisements aurifères de type orogénique le long des grands couloirs de déformation. Une approche permettant de d’établir que la localisation des gisements se situant le long de structure de premier ordre n’est pas indépendante de la localisation de ses voisins a été développée. Cette approche permet de donner des éléments de réponse sur la formation de ces gisements et de générer des probabilités de découvertes à l’échelle régionale. La deuxième partie de cette présente une méthode l’évaluation du potentiel minéral sous couverture sédimentaire en 3D. Les teneurs aurifères compilées dans le secteur ont permis d’évaluer et de quantifier les relations spatiales existantes entre certaines entités géologiques et les emplacements minéralisés afin de cibler les endroits à haut potentiel. Enfin, les travaux présentés dans le dernier chapitre visent à délimiter les zones possédant une perméabilité structurale accrue lors de l’épisode de déformation contemporain à la mise en place de gisements aurifères de type orogénique. Une modélisation géomécanique 3D qui tient compte des propriétés physiques des roches a été effectuée sur un segment de faille choisi en utilisant un code d’élément fini. La déformation s’effectue en attribuant sur chaque discontinuité structurale des vecteurs ou des champs de déplacement en fonction des observations de terrain / This thesis had the objective to define targeting methods adapted to orogenic gold deposits hosted in greenstone belts and to better understand the formation mechanism of these deposits. The work accomplished is presented in three distinct articles. The first article aimed to determine if a mathematical relation can characterize the spatial distribution of orogenic gold deposits along a crustal scale fault zone within or if the localization of a deposit is independent of the position of each other. A uniform law was fitted between the frequency and the curvilinear inter-distance between successive orogenic gold occurrences along the CLLF for distances ranging from 315 to 5600 m. This approach gave insights on the formation mechanism and allowed the generation of a probability map for undiscovered deposits at a regional scale. The second chapter of this thesis focuses on a sector of the Cadillac Larder Lake Fault that was considered as having a high potential for discovery using the methodology presented in the last chapter. Compiled assays allowed the evaluation of the spatial association of certain geological features with orogenic gold mineralizations to allow targeting high potential areas. Finally, the work presented in the last chapter aimed at identifying dilatant zones during the deformation that is contemporaneous to the orogenic gold deposit formation. A 3D geomechanical modelling which takes rock properties into account was performed on a chosen segment of a fault zone using a finite element code. The deformation was induced using displacement vectors or fields interpreted from field data