Trois principaux complexes ophiolitiques sont connus dans les Appalaches du Sud du Québec: Thetford Mines, Asbestos et Mont Orford. Cependant, une ophiolite a été nouvellement recensée au NNE du complexe ophiolitique du Mont Orford et au sud de celui d'Asbestos; l'ophiolite du Lac Brompton. Celle-ci était autrefois décrite comme étant un mélange ophiolitique faisant partie du complexe ophiolitique du Mont Orford et nommée le Mélange du Lac Montjoie. Les travaux de ce mémoire, basés sur une cartographie détaillée des roches ultramafiques et des roches adjacentes démontrent plutôt que le Mélange du Lac Montjoie est une ophiolite démembrée mais bien préservée. Des niveaux discontinus de roches métamorphiques de nature variée (métabasaltes et roches métasédimentaires) sont présents sur la bordure sud du Complexe ophiolitique du Lac Brompton. La déformation régionale de ce secteur est cependant complexe et issue d'une tectonique polyphasée tributaire des orogénies taconienne et acadienne. L'étude des roches métamorphiques démontre que: (1) Ces roches métamorphiques sont structuralement situées sous le Complexe ophiolitique du Lac Brompton et ont subi trois phases de déformation. (2) Ces roches ont été soumises à des conditions de pression et température du faciès amphibolite à albite-épidote jusqu'au faciès amphibolite. (3) Le protolithe des roches métavolcaniques correspond à deux types de basaltes: des basaltes alcalins de marge continentale, et des basaltes tholéiitiques de milieu transitionnel à océanique. Le protolithe des roches métasédimentaires est constitué de deux types de protolithes sédimentaires; les micaschistes correspondent à des grès et les roches métasédimentaires moins grossières à des phyllades. Cette séquence métamorphique est interprétée comme appartenant à une ou plusieurs écailles de la semelle dynamo-métamorphique de l'ophiolite du Lac Brompton. L'ophiolite du Lac Brompton est tronquée par une surface d'érosion qui atteint localement les roches métamorphiques sous-jacentes. Cette surface d'érosion est soulignée par la présence de conglomérats similaires à la brèche de Coleraine de la région de Thetford Mines. Cette surface d'érosion est aussi présente dans les ophiolites d'Asbestos et de Thetford Mines, démontrant qu'elle est issue d'une érosion à l'échelle régionale ayant exposé les unités les plus profondes des complexes ophiolitiques peu de temps après l'obduction de ces derniers. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Semelle métamorphique, Ophiolite, Obduction, Appalaches du sud du Québec, Lac Brompton.

Les semelles métamorphiques sont des unités d’origine océanique (≤ 500 m d’épaisseur) situées à la base des grandes ophiolites obductées (≤ 20 km d’épaisseur). Ces unités sont caractérisées par un gradient métamorphique inverse, où les conditions de pression (P) et de température (T) de cristallisation augmentent de la base vers le contact avec l’ophiolite sus-jacente : depuis 500±100˚C et 0.5±0.2 GPa jusqu'à 800±100˚C et 1.0±0.2 GPa. Formées et exhumées au cours des 2 Ma suivant l’initiation des subductions océaniques, les semelles sont des témoins directs de leur dynamique précoce. Les assemblages minéralogiques qu’elles portent et leur déformation fournissent des contraintes majeures, et rares, sur l’évolution de la structure thermique et sur le comportement mécanique de l’interface de subduction naissante. Au terme d'une étude pétrologique, (micro-) structurale et expérimentale sur les amphibolites naturelles de la semelle de Semail (Oman, UAE) et synthétisées en laboratoire, nous proposons un modèle où la semelle métamorphique résulte d’épisodes multiples d’accrétion d’unités homogènes en P–T (donc sans gradient métamorphique) au cours des premières étapes de subduction océanique. L’écaillage subséquent résulte de changements majeurs dans la distribution de la déformation, du fait des variations des propriétés mécaniques des roches à l’interface de subduction lors de son équilibration thermique et de l’augmentation au cours du temps de la proportion de sédiments entrant en subduction. Ce modèle rend compte d’une grande complexité thermique et mécanique à l’interface de subduction, encore insuffisamment examinée dans les études numériques actuelles. / Metamorphic soles are m to ~500 m thick tectonic slices welded beneath most large-scale ophiolites (usually ≤ 20 km thick). They typically show a steep inverted metamorphic structure where the pressure (P) and temperature (T) conditions of crystallization increase upward, from the base of the sole (500±100ºC at 0.5±0.2 GPa) to the contact with the overlying peridotite (800±100ºC at 1.0±0.2 GPa). Soles are interpreted as a result of heat transfer from the incipient mantle wedge toward the nascent slab during the first My of intra-oceanic subduction. Metamorphic soles are therefore direct witnesses of petrological processes during early subduction. Their mineralogical assemblage and deformation pattern provide major constraints on the evolution of the thermal structure, on the migration of fluids and on the effective rheology along the nascent slab interface. We present a detailed petrological, (micro-)structural and experimental study, with refined P–T estimates obtained with pseudosection modelling and EBSD measurements, on the garnet-bearing and garnet-free (natural and synthetized) amphibolite. We suggest a new tectonic–petrological model for the formation of metamorphic soles below ophiolites, which involves the stacking of several homogeneous slivers (without any T gradient) of oceanic crust to form the present-day structure of the sole. These successive thrusts are the result of rheological contrasts between the slab material and the peridotites of the upper plate as the plate interface progressively cools. This model outlines the thermal and mechanical complexity of the early subduction dynamics, and highlights the need for more refined numerical modelling studies.

Dans le cadre de la recherche de nouvelles sources d'énergie propres et durables, nous étudions les mécanismes de formation du dihydrogène (H2) dans les environnements intra-cratoniques. Des émanations naturelles de H2 ont précédemment été décrites à proximité des dorsales médio-océaniques et des ceintures ophiolitiques. Cette production naturelle de gaz, telle que documentée dans la littérature, est étroitement liée au métasomatisme de roches ultrabasiques d'origine mantellique, riches en minéraux ferromagnésiens, à travers les réactions de serpentinisation. Au Kansas (USA), des émanations de H2 intra-cratonique ont été révélées dès les années 80 par l'étude de puits riches en H2. Nos travaux s'appuient sur un nouveau forage, D#2 (Kansas, USA), ainsi que deux forages existants depuis les années 80, Heins#1 et Scott#1 (Kansas, USA). Le puits D#2 permet d'accéder à un aquifère modérément profond (~300 m) chargé en H2. Le gaz est composé également de N2 et de CH4 tout comme le gaz issu des contextes ophiolitiques. Du He est présent en quantité substantielle -comparé aux contextes précédents- dans ces forages. Afin de comprendre les processus engendrant la production de H2 dans ce contexte géologique, de quantifier le gaz ainsi généré, et de déterminer la relation du H2 avec les autres espèces gazeuses une étude multidisciplinaire gaz/eau/roche a été réalisée. Les résultats obtenus lors de l'étude de ces fluides mis en parallèle avec le contexte géologique régional et les lithologies observées ont permis (1) de proposer différents scénarios pour expliquer les associations de gaz observées et (2) de discuter de l'origine et des processus de production du H2, de l'He, et du N2. / As part of the search for new sources of clean and sustainable energy, the mechanisms for the formation of dihydrogen (H2) in intracratonic environments were studied. Natural emissions of H2 have been described in the vicinity of mid-ocean ridges and ophiolite belts. This natural gas production, as documented in the literature, is closely related to the metasomatism of mantle rocks which are rich in mafic minerals, through the serpentinization reaction. In Kansas (USA), intracratonic H2 seepages were revealed in the 80’s by studies of H2-rich wells. Our work is based on a new borehole D#2 (Kansas, USA), and two boreholes previously studied in the 80s, Heins#1 and Scott#1 (Kansas, USA). The D#2 well provides access to a moderately deep aquifer (~ 300 m) loaded with H2. The gas is also composed of N2 and CH4 similarly to the gases issued from ophiolitic contexts. Helium is present in substantial quantities -compared to preceding contexts- in these boreholes. A multidisciplinary gas/water/rock study was carried out to understand the processes generating the production of H2 in this geological setting, to quantify the gas so generated, and to determine the relationship of H2 with other gaseous species. The results of these studies in parallel with the regional geological setting and observed lithology allowed (1) to propose several scenarios to explain the observed associations of gas and (2) to discuss the origin and production process of H2, He and N2.

L'étude présentée est une contribution à l'analyse du problème de l'extension tardi-orogénique dans les chaînes de montagne, qui intéresse depuis une quinzaine d'années de nombreux spécialistes de la lithosphère continentale. Des études slsmotectoniques, stratigraphiques, et j'analyse des populations de failles ont montré que le domaine continental égéen (Grèce) est largement affecté par une extension de type "arrière-arc" depuis au moins 13 Ma. U est reconnu que cette extension se superpose aux structures de l'orogénèse hellénique mésozoïquecénozoïque. Parmi les structures classiquement attribuées à la tectonique en chevauchement précoce, on distingue en particulier l'ensemble des déformations ductiles observées dans deux groupes d'unités à métamorphisme HP/ST traversant le domaine égéen. Le but de ce travail est de déterminer si, comme soupçonné depuis une dizaine d'années, une partie au moins de cette déformation ductile est le résultat d'une tectonique extensive et de préciser l'étendue, la cinématique et le contexte géodynamique de cette extension. Notre étude a consisté en une analyse 1 structurale du centre de l'Egée (îles des Cyclades et d'Eubée, domaine HP interne), examinant en particulier !a relation entre déformations ductile et fragile depuis l'affleurement jusqu'à l'échelle régionale. Les résultats de ce travail so nt les suivants: L'extension apparaît responsable de la plus grande partie de la déformation ductile au sein des unités HP ayant largement subi les effets d'un second épisode métamorphique dans le faciès schiste vert ou de plus haute température. Sur chaque île étudiée, une déformation progressive en extension est- reconnue, liée au développement d'une zone de détachement majeure se prolongeant jusqu'à environ 18-25 km de profondeur. Un déplacement important le long de la zone de détachement rend compte du refroidissement et de l'exhumation rapides de la croûte inférieure ductile qui vient former* localement un dôme métamorphique, ou "metamorphic core complex". Au moins deux -probablement trois- zones de détachement majeures sont identifiées à l'échelle du domaine centre-égéen, subparallèles et inclinées au nord, orientées NW-SE dans le nord-ouest des Cyclades et E-W dans le sud-est. Les inclinaisons initiales q\3 ces zones de détachement sont estimées entre 30 et 45°. La géométrie actuelle du système extensif implique que les détachements et les dômes métamorphiques associés interfèrent les uns aV9C les autres. Les données structurales sont en faveur d'un modele cinématique caractérisé par le développement séquentiel de zones de détachement synthétiqJes, dans une direction opposée. à la pente des détachements. L'extension par détachements identifiée dans la région centre-égéenne est précoce (Oligocène-Miocène inférieur, âge minimal: 22-19 Ma) et liée à.un contexte "arrière-arc" tardi-orogénique et post-épaississement. L'âge minima: de l'extension étant significativement plus ancien que l'âge de la collision entre Arabie et Eurasie ( 13 Ma), on en déduit que l'initiation de l'extension égéenne ne peut pô-S resulter de l'extrusion latérale de l'Anatolie depuis le front de la collision arabique vers l'Egée, ainsi qu'il est communément admis. Le contexte géodynamique permettant l'initiation de l'extension est probablement le développement de l'arc de subduction sud:~ hellénique tel qu'il existe encore actuellement.

Situé dans la partie Nord-Ouest de l'orogenèse himalayenne, Le glacier du Chogo Lungma se développe au nord-est de la syntaxe du Nanga Parbat-Haramosh où les formations du Ladakh-Kohistan sont laminées entre Haut Himalaya et Karakorum. De nouvelles données géologiques, structurales, métamorphiques, géochimiques et géochronologiques ont permis d'une part de définir les caractéristiques des ensembles plutoniques et d'autre part de reconsidérer l'évolution tectonométamorphique du complexe métamorphique du Karakorum (KMC) en les replaçant dans un schéma géodynamique plus global. L'histoire tectonométamorphique du KMC inclut deux phases principales: (i) une phase principale D1 de plis isoclinaux N100°E à vergence Sud associés à une schistosité S1 plan axial et formés dans un régime en aplatissement dominant. Ils portent une paragenèse à Grt-Bt-Mu-Ky de pic de métamorphisme (M1: 620 - 730°C pour 7,5 - 11 kbar); (ii) une phase D2 de formation de dômes allongés N110°E à N140°E qui reprennent et déforment S1. Ces dômes sont associés à une évolution métamorphique principalement en décompression (7,5 à 4 kbar) dans le champ de la sillimanite. Nous proposons pour ces dômes un modèle d'extrusion, à composantes verticale et décrochante le long du Main Karakorum Thrust, qui sépare de Karakorum du Ladakh. La pente très raide du chemin P-T observé implique une exhumation rapide et suggère que les différentes phases observées fassent partie d'un continuum tectonométamorphique. Quatre ensembles d'orthogneiss, antérieurs à la structuration du KMC, ont été identifiés, certains présentant des similitudes avec des granitoïdes déjà connus plus au Nord dans le batholite axial ou dans le Nord-Karakorum: l'ensemble "Bukpun", de nature calco-alcaline, est un équivalent des plutons de subduction crétacés de type Hunza ou Ghamu Bar; l'ensemble subalcalin "Basha", d'origine crustale probable, se rapproche, au moins du point de vue génétique, du granite oligo-miocène du Baltoro; les caractères de l'ensemble "Bolocho" sont intermédiaires entre ceux de complexes subalcalins (Batura, Giraf) et alcalins (Koz Sar) d'âges crétacés à paléogènes); enfin, les caractéristiques de la granodiorite d'Aralter, de nature subalcaline sodique, apparaissent originales dans le Karakorum. Par ailleurs, un petit pluton syénitique (Hemasil) apparaît contemporain de la phase de formation des dômes D2. Ce magmatisme potassique, issu d'une source mantellique (ENd de +3,0 à +4,3) enrichie en éléments en traces et Terres Rares, a également subi des phénomènes d'assimilation, marqués par des enrichissements en U, Th, Hf, Zr et en Sr radiogénique (87 Sr/86Sr de 0,70431 à 0,70551), lors de son ascension dans la croûte supérieure et de sa mise en place finale. Enfin, des âges de refroidissement 40 Ar/39 Ar sur micas et amphiboles nous ont permis d'estimer un âge de formation des dômes et de mise en place de la syénite vers 9 Ma. Il apparaît donc qu'une partie de l'évolution tectonométamorphique et magmatique du KMC est très récente et en relation avec l'activation des grands décrochements régionaux comme la faille dextre du Karakorum. Elle est à rapprocher de celle du Haut Himalaya du Nanga Parbat situé à proximité.

Une méthodologie multidisciplinaire de caractérisation des aquifères fracturés est élaborée en s'appuyant sur deux exemples d'aquifères : un milieu cristallin à Plancoët et un milieu carbonaté à Quézac. Elle consiste d'abord à analyser le contexte géologique et construire un modèle géométrique de l'aquifère à différentes échelles sur la base d'analyses d'images, de cartographie de terrain et de prospections géophysiques. Les modèles géométriques effectués sur les deux sites tiennent compte des particularités de chacun. Une analyse des caractéristiques hydrologiques, hydrogéologiques et géochimiques de l'aquifère est ensuite réalisée à Plancoët, ce qui permet enfin de construire un modèle hydrogéologique qui confirme la structure géologique et conduit à proposer un emplacement de forage. La pluridisciplinarité des méthodes utilisées dans ce travail permet d'avoir une compréhension assez complète des aquifères étudiés.

Pour comprendre l'évolution tectono-métamorphique des unités de type Thiviers-Payzac dans la chaîne hercynienne, trois secteurs d'études ont été choisis: le Rouergue-Albigeois, le Quercy et la Vendée. Ces études pétrostructurales et géochronologiques ont permis de présenter l'évolution tectonique suivante:<br /> Au Dévonien moyen, un premier épisode provoque le charriage vers le SW de l'Unité Supérieure des Gneiss sur l'Unité Inférieure des Gneiss. Dans le Rouergue, les granites syntectoniques ont aussi enregistrés cette déformation. Vers 360 Ma, un deuxième épisode tangentiel provoque le charriage des unités de type Thiviers-Payzac vers le NW en contexte métamorphique barrovien. Lors d'une troisième phase vers 330 Ma, les unités précédemment structurées sont charriées vers le Sud sur l'ensemble Albigeois-Montagne Noire. La signification du deuxième épisode est également discutée en termes de géodynamique.

Les dômes métamorphiques extensifs formés en contexte post-orogénique sont parfois associés à des bassins sédimentaires développés durant leur exhumation le long de zones de cisaillement d'ampleur crustale. A partir de l'exemple des Cordillères Bétiques (Sud de l'Espagne), qui figurent parmi les terrains idéaux pour l'étude de l'exhumation des roches métamorphiques, cette thèse vise à établir un modèle géodynamique accompagné d'un calendrier cinématique intégrant à la fois les phénomènes superficiels (les bassins) et profonds (les roches métamorphiques). Elle repose sur l'analyse de deux enregistrements de la déformation crustale: celui des bassins sédimentaires, dont est tirée la subsidence tectonique (subsidence en fonction du temps, S-t), et celui des roches métamorphiques (chemins pression – température – temps, P-T-t); leurs histoires étant intimement liées au fonctionnement des zones de cisaillement extensives (Ε). Le but est ici, d'une part, de répondre à une problématique régionale, en comparant les enregistrements de ces deux marqueurs témoignant d'une cause unique, l'extension post-orogénique et la formation de la mer d'Alboran, et d'autre part, de proposer un modèle méthodologique. La première partie de cette thèse vise à lire et contraindre la déformation du substratum au travers de l'enregistrement sédimentaire de deux bassins situés au toit d'un accident majeur à partir de l'histoire de leur subsidence (articles 1 et 2). Ces bassins sont nés d'une extension méridienne synchrone de l'exhumation finale des dômes métamorphiques, au moins en partie réalisée par un étirement crustal E-W. La subsidence démarre au Serravallien et se poursuit jusqu'au Tortonien supérieur avant une phase d'inversion tectonique, il y a environ 8 Ma. La seconde partie, principalement structurale (article 3), tente d'expliquer le paradoxe apparent de ces deux directions d'extension perpendiculaires, en étudiant l'évolution de la déformation du mur des zones de cisaillement. Une succession continue de cinq stades de déformation est reconnue, intégrée dans un modèle structural de l'exhumation des roches métamorphiques. Les dômes de la Sierra de los Filabres et de la Sierra Alhamilla se sont formés dans le contexte d'un étirement E-W sous un détachement majeur avec un cisaillement vers l'Ouest. Leur structuration est visible dans les derniers stades de la déformation dès que la zone de cisaillement entre dans le faciès des Schistes Verts. La formation de ces dômes d'axe E-W contrôle l'extension, localement N-S et la formation des bassins dans la croûte supérieure. La troisième partie apporte de nouvelles contraintes à la fois en « Pression-Température » et en « temps » qui permettent de préciser le calendrier du modèle précédent (articles 4 et 5). Ainsi, les trois unités métamorphiques constitutives des dômes métamorphiques étudiés font-elles l'objet de l'utilisation conjointe de différentes méthodes de quantification P-T, apportant des résultats totalement nouveaux. Le volet radiochronologique de l'étude apporte les contraintes temporelles nécessaires à l'intégration des résultats à toutes les échelles. Il s'agit de datations 39Ar/40Ar in-situ par ablation laser des phengites en fonction de leur position structurale et de leur composition. Il est donc possible de dater les différents points du chemin P-T-t. Le maximum de pression (20 kbar pour l'unité de Bédar-Macael et 14 kbar pour l'unité de Calar Alto) est atteint avant 30 Ma, vraisemblablement vers 40 ou 50 Ma. L'exhumation post-orogénique rapide commence alors vers 30 Ma. Elle est réalisée le long d'un chemin isotherme jusque vers 19 Ma, puis le long d'un gradient HT-BP jusqu'à 8 Ma environ, la transition cassant-ductile étant traversée vers 14 Ma. Enfin, dans une dernière partie, ces résultats sont synthétisés et intégrés à des échelles de temps et d'espace croissantes depuis celle des bassins sédimentaires jusqu'à celle de l'évolution de la Méditerranée Occidentale (évolution 3-D de portions de lithosphère) en passant par l'échelle des dômes métamorphiques. L'intégration à l'échelle de la chaîne (prenant en compte le complexe Alpujarride) et de la Méditerranée Occidentale, est discutée dans l'article 6.

Les zones de convergence sont des objets clés à la compréhension de la dynamique de la lithosphère. Elles sont le siège de déformations majeures comme en témoignent la concentration et l’intensité des séismes qui leur sont associées. A plus grande échelle de temps et d'espace, ces déformations résultent généralement en un empilement d’unités dont l’étude offre l'accès aux différents niveaux structuraux mis en jeu dans l'organisation de la chaîne de montagnes. Caractériser précisément la dynamique de structuration de ces unités ainsi que les paramètres contrôlant cette dynamique constitue une étape cruciale permettant d’aller plus loin, notamment quantitativement, dans notre connaissance de la dynamique lithosphérique. Cette thèse a comme double objectif (1) de préciser le comportement rhéologique des roches aux conditions Pressions-Température P-T du faciès éclogitique au sein de l' interface de subduction et (2) de caractériser et quantifier l' influence de la rhéologie de la plaque supérieure, et plus spécifiquement, le rôle de sa partie crustale, sur l'évolution spatio-temporelle des zones de convergence. Pour cela, une approche multi-disciplinaire a été utilisée. Dans un premier temps, je présente une analyse multi-échelle couplant travail de terrain et de pétrologie métamorphique qui a permis d'étudier la déformation au sein de roches HP-BT à l' interface de subduction au niveau de la klippe du Mont-Emilius (Alpes occidentales, Italie). Je détaille ensuite une étude quantitative alliant modélisation numérique thermo-mécanique 3D et 2D de zones de convergence. L'ensemble des modèles a permis d'analyser de nombreux paramètres influençant la structure rhéologique de la plaque supérieure tels que le géotherme initial, l'épaisseur de la lithosphère et de la croûte et la nature des matériaux impliqués. L'ensemble des modèles réalisés sont contraints/confrontés par/aux des données issues d'exemples naturels. Les résultats de l'étude sur des roches déformées au sein de l’interface de subduction mettent en évidence le possible comportement cassant des roches à des conditions de pression et température de l'ordre de 2.15-2.40 GPa, 500-550 °C, i.e., dans le faciès éclogitique. L’enregistrement d’un tel mode de déformation est d'une importance capitale car il remet en question le paradigme d’un comportement ductile sans résistance au niveau de l’ interface de subduction. Les résultats obtenus via les modèles numériques montrent par ailleurs que la rhéologie de la plaque supérieure, ainsi que celle de sa seule partie crustale, a une influence de premier ordre sur la dynamique globale des zones de convergence en modifiant notamment le mode de subduction, la cinématique de la fosse, le mode d'exhumation lors d'une collision, le timing de la déchirure du slab et de la formation de bassins d'arrière-arc, la répartition et l'intensité de la déformation au sein de la plaque supérieure. La combinaison des méthodes de pétrologie et de modélisation numérique a permis d'obtenir une analyse quantifiée de l' influence de la rhéologie des lithosphères impliquées dans les zones de convergence sur la dynamique de ces zones. Cette thèse présente ainsi de nouvelles contraintes à notre compréhension de la réponse mécanique de la lithosphère, en fonction de sa structuration rhéologique et de sa place au sein des zones de convergence à petite et grande échelle. Les nouvelles données présentées révèlent l' impact majeur de la rhéologie de la lithosphère dans les zones de convergence. Ce paramètre amène ainsi à reconsidérer notre vision actuelle des zones de convergence. / Convergence zones are key objects to the understanding of the lithosphere dynamics. They are the location correspond to places of intense deformation as evidenced by the concentration and magnitude of recorded earthquakes. On a larger scale of time and space, these deformations generally result in nappes stacking whose study offers access to the different structural levels involved in the mountain belt structuration. Precisely characterizing the structuring dynamics of these units as well as the parameters controlling this dynamic is a crucial step that would allow in particular a better quantification of lithospheric dynamics. The aim of this thesis is twofold: (1) clarifying the rheological behavior of rocks in the Pressure-Temperature (P-T) conditions of the eclogitic facies at the subduction interface and (2) characterizing and quantifying the influence of the overriding plate rheology, and more specifically, the role of its crustal part, on the spatio-temporal evolution of convergence zones. For this, I used a multi-disciplinary approach. First, I present a multi-scale analysis combining fieldwork and metamorphic petrology, which allowed me to study the deformation within High Pressure-Low Temperature (HP-LT) rocks at the subduction interface in the Mont-Emilius klippe (Western Alps, Italy). Then, I show the results of a quantitative study combining 3D and 2D thermo-mechanical modeling of convergence zones. The entire set of models allowed me to analyze different parameters influencing the rheological structure of the overriding plate, such as the initial geotherm, the thicknesses of the lithosphere and the crust, and the nature of the involved materials. All the performed models are constrained/compared by/with data from natural examples. The results of the study on deformed rocks within the subduction interface highlight the possible brittle behavior of rocks at pressure and temperature conditions on the order of 2.15-2.40 GPa and 500-550 °C, i.e., in the eclogitic facies. The recording of such a deformation mode is of paramount importance because it challenges the paradigm of subduction interface caracterized by ductile behavior without resistance. The results obtained with the numerical models show that the rheology of the overriding plate, as well as that of only its crustal part, has a first-order influence on the overall dynamics of the convergence zones by modifying the mode of subduction, trench kinematics, the mode of exhumation during collision, the timing for slab break-off and back-arc basin formation, the location and intensity of deformation within the overriding plate. The combination of petrology and numerical modeling methods allowed me to obtain a quantified analysis of the influence of the rheology of the lithospheres involved in convergence zones on the dynamics of these zones. This thesis presents new constraints for our understanding of the mechanical response of the lithosphere at different spatial scales as a function of its rheological structure. The new data presented here reveal the major impact of the lithosphere rheology in convergence zones. This parameter leads us to reconsider our current view of the convergence zones.

Les dômes métamorphiques extensifs associés à des zones de détachement ont été identifiés dans le Basin & Range (U.S.A.) à la fin des années 70. Ces structures résultent de l'extension d'un domaine crustal épaissi et thermiquement relaxé, autrement dit d'une extension post-orogénique. Les détachements présents en surface sont considérés comme des failles normales ou des zones de cisaillement à faible pendage séparant le dôme métamorphique d'une unité de croûte supérieure cassante. En profondeur, ces dômes se caractérisent par une géométrie planaire du Moho. Pour comprendre les relations entre l'exhumation du dôme, la formation d'un détachement et la géométrie planaire du Moho, des modèles numériques et analogiques ont été réalisés en se basant sur l'idée simple d'une extension post-orogénique, comme condition générale favorable à la formation des dômes métamorphiques. Le développement des dômes se caractérise par deux étapes majeures : une instabilité en striction de la croûte supérieure fragile et l'amplification du dôme, accommodée par l'écoulement de la croûte ductile en profondeur. Le processus d'exhumation et d'écoulement en profondeur s'étend sur de larges distances (de l'ordre de la centaine de km), impliquant une extension régionale. L'analyse de la déformation des dômes montre que les détachements ne sont pas créés en tant que tels dès le début de l'extension, mais qu'ils résultent d'un processus de localisation de la déformation, lors de l'amplification du dôme. Il est donc proposé que les détachements ne soient donc pas la cause mais plutôt la conséquence de l'exhumation des dômes métamorphiques. La détermination de l'épaisseur crustale à partir des données gravimétriques du domaine égéen a permis d'analyser les effets du comportement de la croûte ductile sur un exemple concret. Trois provinces se distinguent en termes d'épaisseur crustale : le Nord Egée, la Mer de Crête et les Cyclades avec une moyenne de 25 km à l'échelle régionale. Depuis l'Oligo-Miocène, l'extension du domaine égéen résulte d'un effondrement gravitaire post-orogénique, dû au retrait vers le sud de la zone de subduction sud-hellénique. Cette extension est responsable d'un amincissement proche de 100% de la croûte continentale, par écoulement de la croûte ductile à grande échelle, et de la formation des dômes métamorphiques observés en particulier dans les Cyclades. L'extrusion récente de l'Anatolie, depuis 5 Ma, a modifié le style de déformation dans le Nord Egée, tandis qu'en Mer de Crête, l'extension semble toujours principalement contrôlée par la migration de la zone de subduction. Entre ces deux zones d'extension récente, le domaine des Cyclades se comporte comme un bloc rigide.