Les résultats acquis au cours de ce travail à propos (i) des basaltes récents du Golfe de Tadjoura et (ii) les séries synrift initiales des domaines Ali Sabieh et Danakil apportent de nouvelles contraintes sur, repectivement, la cinématique récente du Rift Tadjoura et celle, plus ancienne, des zones marginales de la dépression Afar. Mais, ils apportent aussi des éléments permettant de discuter, à une échelle plus vaste, certains aspects de la dynamique du rift Afar, sensu lato.<br />- L'étude structurale des basaltes récents (2.8-1.1 Ma) des marges du Golfe de Tadjoura nous conduit à interpréter la structure générale du rift Tadjoura en termes d'hémi-graben, à vergence sud, développé au-dessus de traps antérieurs, et accommodant une extension estimée à 25-30%. L'âge décroissant des structures vers la partie axiale, immergée, du dispositif reflète la concentration progressive des déformations au cours du temps. L'analyse géométrique et statistique des populations de failles exposées le long des deux flancs de l'hémi-graben met en évidence, au niveau du système extensif méridional, un gradient croissant de déformation vers l'W, en direction de la zone transverse d'Arta. Ce dispositif est attribué au blocage frontal de la propagation des structures axiales du Golfe contre une discontinuité mécanique pré-existante. Dans le modèle cinématique proposé, le transfert de l'extension depuis le rift Tadjoura vers la zone du Ghoubbet s'effectue, non pas par l'intermédiaire de structures en échelon, mais par un saut de rift (en sénestre) de part et d'autre de cette discontinuité sub-méridienne à polarité ‘Mer Rouge'.<br />- L'étude structurale et géochimique/géochronologique des séries volcaniques d'Ali Sabieh et de leur substratum mésozoïque démontre les faits suivants :<br /> . Les ensembles volcaniques initiaux se mettent en place entre 26-19 Ma (complexe intrusif-effusif d'Ali Sabieh), cad. environ 6 Ma après les traps éthiopiens et yemenites qui n'ont donc pas d'équivalents dans ce secteur intermédiaire. <br /> . La partie intrusive du complexe magmatique est interprétée en termes de laccolithe dont la mise en place provoque la structuration antiformale de la couverture mésozoïque, puis son démantelement partiel, sous forme d'enclaves, lors d'un processus de ‘block stoping'.<br /> . L'antiforme d'Ali Sabieh implique jusqu'aux séries acides Mablas (15-11 Ma) et il est scéllé, sur ses flancs, par les basaltes Somali (7.2-3.0 Ma) et du Dalha (8.6-3.8 Ma). <br />- Un tout autre mécanisme est proposé pour l'édification des reliefs Danakil qui résultent de mouvements verticaux beaucoup plus jeunes, postérieurs (ou synchrones) des Basaltes Stratoïdes, et d'origine probablement tectonique, en liaison avec le rifting Tadjoura et/ou Asal.<br />- Ces résultats ont aussi des implications sur la dynamique de l'ensemble du dispositif Afar, et de nouvelles hypothèses sont proposées au sujet (i) du sens de propagation des axes de rift récents-actifs recoupant la dépression Afar et de leur appartenance aux systèmes Golfe d'Aden ou Mer Rouge, (ii) de la distribution spatiale du magmatisme initial (à 30 Ma), de type trap, au niveau de deux sous-provinces, séparées par un domaine amagmatique, et (iii) de l'évolution du domaine Danakil et de la nature de sa limite orientale avec la Mer Rouge, considérée comme une discontinuité héritée de premier ordre, de part et d'autre de laquelle les mécanismes de l'extension sont dominés par des processus, soit magmatiques (W), soit tectoniques (E).

Le complexe du Mont Collon (nappe de la Dent Blanche, Austroalpin) est composé à 95% de roches mafiques cumulatives recoupées par des filons acides et mafiques tardifs (dikes mélanocrates Fe-Ti) se mettant en place dans la croûte moyenne. Des âges de cristallisation U/Pb sur zircons (284.2 ± 0.6 et 282.9 ± 0.6 Ma) ont été obtenus sur un gabbro et une pegmatitique quartzique. Les datations 40Ar/39Ar sur amphiboles des filons mélanocrates (260.2 ± 0.7 Ma) indique un second évènement magmatique. Les compositions des cumulats montrent peu de variations avec la lithologie et révèlent des anomalies négatives systématiques en Nb, Ta, Zr, Hf et Ti. Le manque de variation en éléments traces dans les cpx et la corrélation positive entre éléments traces des roches et le pourcentage modal d'amphibole tardive sont caractéristiques d'un processus de cristallisation in situ (Langmuir, 1989) impliquant de 0 à 35% de liquide interstitiel (L) entre les phases cumulus. Le liquide parental calculé des cumulats du Mont Collon est transitionnel et présente une forte anomalie négative en Nb-Ta. 2 groupes de roches cumulatives sont discriminés d'après leurs signatures en Nd-Sr, supposant de possibles réinjections magmatiques. Le Pb indique une source dans le manteau subcontinental lithosphérique, contaminé par des sédiments océaniques. Les dikes mélanocrates ont des eNdi de +7, des 87Sr/86Sri de 0.703 et des rapports en Pb indiquant une source asthénosphérique peu appauvrie. La fusion partielle du manteau lithosphérique subcontinental est induite par l'amincissement post-orogénique et la remontée de l'asthénosphère. Les filons tardifs proviennent de la fusion de l'asthénosphère.

Dans le but de tester la capacité des komatiites à préserver leur composition géochimique et isotopique (Sr,Nd, 0) primaire, caractéristique du manteau archéen, les coulées basaltiques et komatiitiques des ceintures de roches vertes de l'Abitibi et de Barberton ont été étudiées. . Les komatiites peu altérées ont des compositions géochimiques compatibles avec le fractionnement de l'olivine; seuls les éléments alcalins sont mobilisés. Dans les komatiites plus altérées, les concentrations en High Field Strength Element (HFSE) par rapport aux Terres Rares (REE) produisent des anomalies variables à l'intérieur des coulées. Ces anomalies sont produites par le fractionnement des phases mantelliques de haute pression eVou la mobilité de ces éléments par les fluides hydrothermaux. ' Les mobilités géochimiques et les perturbations tardives des systèmes isotopiques (Sr, Nd, 0) à l'échelle de la roche totale sont expliquées par des processus d'échange isotopique et par le fractionnement tardif des éléments en traces. Afin de déterminer la composition isotopique initiale de ces coulées * komatiitiques, les compositions isotopiques en Néodyme et Oxygène ont été * mesurées sur des minéraux primaires. A partir de ces données, il apparait que la source des komatiites d'Alexo (Abitibi) à une valeur ENd(T) supérieure à celle obtenue sur les basaltes. Ces différences isotopiques en neodyme s'intègrent dans un modèle de plume mantellique pour la genèse des komatiites. De même, les pyroxènes de Barberton de la formation de Weltevreden ont une valeur ENd (T) systématiquement supérieure ou égale aux valeurs obtenues sur roche totale dans les autres formations. Les principaux facteurs qui contrôlent les mobilités géochimiques dans les komatiites altérées sont (1) la* composition du fluide, (2) leurs faibles concentrations initiales en éléments en traces, (3) la nature des phases secondaires qui concentrent les éléments en traces et (4) leur texture.

La théorie de la diffraction prévoit que les temps de trajet des ondes avec une fréquence dominante finie sont affectés seulement par des hétérogénéités dans un volume autour du rayon obtenu par la théorie asymptotique fréquence infinie. Ce volume s'appelle la zone de Fresnel. A cause de la diffraction qui assure la continuité du front d'onde au travers des hétérogénéités, les hétérogénéités de taille inférieure à celle de la zone de Fresnel n'ont qu'un effet réduit sur le temps de trajet de l'onde arrivant à une station. Dahlen et al (2000) montrent qu'il est possible decorriger des effets de cette diffraction par une méthode de tomographie volumique qui introduit de nouveau la notion de contenu fréquentiel dans l'estimation des temps de trajet et donc dans la reconstruction du milieu. Dans cette thèse, j'étudie l'influence de cette technique d'imagerie à fréquence finie en tomographie globale sismologique des temps d'arrivée. Pour réduire les effets du à la distribution des rayons dans la Terre,distribution qui n'est pas uniformej j'introduis un maillage non-structuré pour représenter les vitesses dans la Terre. Pour définir l'influence des phénomènes de diffraction dans les résultats tomographiques, j'utilise un nombre limité de données à longue période de très haute qualité obtenues par Guy Masters (Scripps). Je fais l'inversion en utilisant l'approche classique de tomographie des temps se fondant sur la théorie des rayons et l'approche nouvelle de tomographie des temps en se fondant sur l'approche à fréquence finie. La comparaison des deux tomographies montre que les anomalies de vitesse sont sous-estimées par la théorie des rayons d'un facteur 30-60% en fonction de la profondeur. C'est bien le signe que la théorie des rayons est une approximation trop grossière pour les données à basse fréquence que l'on utilise. Pour augmenter la résolution de mon modèle tomographique, j'inverse conjointement les données à longue période déjà mentionnées avec des données haute fréquence retraitées par Bob Engdahl (Boulder). L'analyse de la compatibilité des deux bases de données est nécessaire avant de procéder à l'inversion conjointe. L'étude des temps eux-même (en fait, des écarts dans un modèle de référence) et les inversions des deux jeux de données independament montrent un très bon niveau de compatibilité. Tous les modèles obtenus montrent une très forte corrélation entre les anomalies de basse vitesse ct la position d'un très grand nombre de points chauds déjà connus. Pour estimer la validité de ces anomalies, des tests de résolution ont été réalisés de façon à identifier la profondeur des panaches. A la suite de ces tests, on peut conclure positivement que des panaches profonds se trouvent au-dessous des structures suivantes: Ascension, Açores, Canaries, Easter, Hawai, Samoa et Tahiti. Pour d'autres, l'origine profonde n'est pas confirmée et une origine plus superficielle est probable autour de 660 km comme la zone islandaise. D'autres n'ont jamais été vus avant comme au Seychelles et dans l'Ocean Indien. Enfin, dans la zone de la Mer de Coral et au Sud de Java, la tomographie a détecté des panaches montant de la frontière entre le noyau ct le manteau mais qui n'arrivent pas encore à la surface.

La modélisation de la nature (minéralogie, composition) et de la dynamique du manteau terrestre nécessite la connaissance des propriétés de ses minéraux constitutifs à haute pression (HP, 1-135 GPa) et haute température (HT, 1000-3000K). En particulier, les grandeurs thermodynamiques (enthalpies de formation, entropies, volume, ... ) contrôlent la stabilité des minéraux dans l'espace pression-température. Dans une première approche dite "macroscopique", les capacités calorifiques de la forstérite et de ses analogues, du pyrope et du spinelle sont mesurées par calorimétrie à HT. Les données de dilatation thermique et de compressibilité sont tirées de mesures de volume à HP et HT. On dispose alors d'un ensemble de données qui permet de mettre en évidence, pour la plupart de ces minéraux, un comportement anharmonique à HT. Dans une seconde approche "microscopique", les propriétés thermodynamiques d'un minéral sont calculées par modélisation vibrationnelle à partir de ses spectres infrarouge et Raman. Une méthode originale de mesure de l'anharmonicité est développée, fondée sur l'enregistrement des spectres vibrationnels à HP et HT. On montre alors pourquoi et comment les valeurs des capacités calorifiques s'écartent à HT de la limite prédite par une théorie harmonique. Cette méthode "microscopique" originale, qui ne nécessite que quelques milligrammes de matière, est ainsi développée et testée sur des matériaux pour lesquels elle peut être confrontée aux données "macroscopiques" (e.g. calorimétrie). Elle pourra dans l'avenir être appliquée aux phases de très haute pression du manteau terrestre, dont la métastabilité et les faibles quantités synthétisées empêchent la caractérisation par les méthodes classiques "macroscopiques".

Flux de chaleur et anomalies de vitesse; relation avec l'épaisseur de la lithosphère continentale. Modélisation tres schématique de l'évolution thermique de la lithosphère continentale. Contraste de densité entre l'asthenosphère et la base de la lithosphère

A partir d'une revue générale des données physico-chimiques relatives au globe terrestre, puis d'hypothèses avancées par certains auteurs, nous allons tenter de discerner les princip ux facteurs connus qui président à la répartition des éléments sur notre planète et plus particulièrement dans son enveloppe.

Cette thèse présente une analyse structurale et thermique des marges passives crétacées inversées dans la Zone Nord Pyrénéenne (ZNP). L'application du paléothermomètre RSCM (spectrométrie Raman de la matière carbonée) sur plus de cent échantillons répartis à travers la ZNP permet de préciser l'évolution thermique de la déchirure continentale. Un métamorphisme de haute température (450 à >600°C) se développe particulièrement au droit de zones ou la croûte continentale est extrêmement amincie voire éliminée. Les sédiments pré- et syn-rift sont marqués par une intense déformation ductile. L'analyse à l'EBSD des fabriques minérales indique une déformation de Haute-température contemporaine du métamorphisme HT-BP. Les conditions de mise en place crustale des péridotites et leur exhumation localisée sont examinées dans les localités d'Urdach, Saraillé-Tos de la Coustette, Moncaup, Lherz, Caussou-Bestiac et Salvezines. Les résultats indiquent un boudinage de la croûte continentale au cours du processus de rifting. Des décollements de couverture, principalement localisés dans les évaporites triasiques conduisent à la superposition directe des sédiments pré-rift sur le manteau exhumé. La notion nouvelle de soutirage crustal est introduite pour désigner ce processus dans lequel l'écoulement gravitaire ne joue pas un rôle principal. La caractérisation sédimentologique, pétrographique et isotopique (O et C) des différentes formations de brèches et ophicalcites observées à proximité des corps de péridotites permet de reconstituer les étapes de l'exhumation du manteau en pied de marge. Enfin de nouvelles datations permettent de mieux contraindre le calendrier des évènements successifs.

Le Rift Est Africain (REA) s'étend sur 3500 km du triangle des Afars au golfe du Mozambique et recoupe les hauts plateaux de l'Afar et de l'Afrique de l'Est, considérés comme l'expression morphologique liée à la présence en profondeur de panache(s) mantellique(s) Cénozoïque(s). C'est actuellement le plus bel exemple observable sur Terre de rift magmatique « actif ». La cinématique extensive associée à la branche Est du REA, magmatique, s'est initiée vers 30 Ma en Afar, puis a évoluée vers le Sud, en impliquant de multiples cellules de propagation centrées sur le dôme du Kenya, pour atteindre l'extrémité Sud du rift kenyan vers 8 Ma. Située à ce niveau, la Divergence Nord Tanzanienne (DNT) se caractérise par des changements importants dans l'expression de surface du rifting , passant d'une vallée axiale Nord-Sud unique à trois branches divergentes (d'Ouest en Est : Eyasi, Natron-Manyara et Pangani). Dans ces dernières, la déformation est plus diffuse, principalement dominée par des systèmes de blocs basculés où l'héritage structural est prépondérant. Associé à ce changement structural, se met en place une chaîne volcanique Néogène d'orientation Est-Ouest, d'environ 200 km de long, dans laquelle on trouve des édifices volcaniques majeurs tels le Ngorongoro, le Mont Meru ou le Kilimandjaro.<br />Ce travail de thèse présente les résultats de l'étude volcano-structurale menée sur cette zone de rift divergent. L'originalité de notre approche provient de la combinaison d'outils complémentaires (terrain, pétrologie, radiochronologie, géochimie isotopique Sr-Nd et des éléments en traces), appliquées à une zone clé du REA. Ainsi, à l'échelle des principaux volcans de la DNT, et particulièrement pour le Ngorongoro et le Mt Meru, nous avons pu reconstituer leur activité Plio-Quaternaire en précisant les mécanismes de mise en place de leurs principales formations volcaniques. Cette approche locale a été étendue à l'échelle régionale en synthétisant les données radiochronologiques existantes, complétées par six nouveaux âges K-Ar. Nous avons ainsi pu reconstituer l'histoire volcano-tectonique de la DNT et proposer un modèle d'évolution spatio-temporel du volcanisme depuis 8 Ma. Ce dernier met en évidence une migration de l'activité magmatique vers l'Est entre 8 Ma et l'actuel avec une activité généralisée dans l'ensemble de la DNT à 2,5 Ma, qui accompagne l'extension de la déformation vers la branche de Pangani. Le Kilimandjaro, édifice majeur à l'échelle du Rift Africain, constitue le cœur de ce travail. La détermination de dix sept nouveaux âges K-Ar a permis de contraindre dans le temps les processus volcaniques ayant affecté les trois centres le constituant, et plus particulièrement le centre principal de Kibo pour lequel nous parvenons à reconstituer les dernières phases d'édification entre 492 ka et 165 ka. Grâce à l'approche pétrologique et géochimique réalisée sur les laves du Kilimandjaro, nous proposons un modèle d'évolution des sources mantelliques de ces magmas, en montrant qu'ils sont issus de la fusion partielle d'une source lithosphérique hétérogène à amphibole et grenat résiduels, ayant acquis ses caractéristiques géochimiques au cours de deux épisodes métasomatiques distincts : un premier, probablement d'âge Précambrien, et le deuxième, Plio-Quaternaire, provoqué par la percolation des magmas formés au sein du panache asthénosphérique sous-jacent. La généralisation de cette approche à l'échelle de la DNT, pour les laves primitives d'âges < 1 Ma, met en évidence des différences dans les processus pétrogénétiques à l'origine du magmatisme de cette région. Si sa manifestation, à l'Est de la DNT, présente des compositions caractéristiques d'une fertilisation de la lithosphère par l'activité sub-actuelle d'un panache, les laves émises à l'Ouest comportent des signatures géochimiques héritées d'un manteau lithosphérique métasomatisé au Précambrien, en accord avec les résultats obtenus sur les enclaves mantelliques. Le type de métasomatisme, sa localisation et sa période d'activité sont certainement liés à l'héritage structural, et particulièrement au positionnement relatif des blocs cratoniques Archéen et des zones transverses affectant les ceintures orogéniques Protérozoïques.

La caractérisation des magmas primitifs des laves a pour objectif de mieux contraindre les conditions physico-chimiques de la fusion partielle, les modes d'extraction et de transport des magmas et la composition chimique et minéralogique du manteau terrestre. L'intérêt de l'étude des inclusions magmatiques piégées dans les phénocristaux précoces des basaltes réside dans l'isolation de ces liquides silicatés vis à vis des processus secondaires de différenciation et de mélange. Ce travail avait pour but la caractérisation des inclusions magmatiques dans des olivines primitives dans deux contextes géodynamiques distincts - les rides médio-océaniques et les points chauds océaniques – en s'articulant autour de deux exemples régionaux : la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) et le point chaud de la Réunion.<br />Les inclusions magmatiques piégées dans un échantillon de la zone FAMOUS (ride médio-Atlantique Nord) se caractérisent par une variabilité importante de leurs teneurs en éléments majeurs et traces, qui excède largement la variabilité chimique des laves émises en surface dans la région. Les liquides inclus sont très primitifs (Mg# = 0.70-0.78) et présentent des similitudes de composition avec les liquides expérimentaux issus de la fusion partielle de lherzolites à spinelle à 1 GPa. Les compositions en éléments en traces évoluent depuis des compositions relativement appauvries ((La/Sm)N<0.75) jusqu'à des compositions légèrement enrichies ((La/Sm)N>1.2). Des modélisations géochimiques suggèrent qu'une grande part de la diversité chimique des inclusions résulte du processus de fusion polybare d'une source de composition homogène. Toutefois, une variation locale de la température potentielle et de la teneur en H2O du manteau semble requise pour reproduire certaines variations en éléments majeurs. Nous n'avons pas décelé de modifications chimiques des magmas liées à des interactions magma/roche (dissolution du clinopyroxène) lors de la ségrégation et l'ascension.<br />L'étude des inclusions magmatiques dans les olivines d'échantillons de l'île Maurice et l'île de la Réunion a mis en évidence une transition entre des liquides alcalins à transitionnels vers des basaltes à affinité tholéiitique. Cette évolution peut vraisemblablement être expliquée par une augmentation du degré de fusion d'une source péridotitique. D'autre part, la composition chimique et isotopique homogène au cours du temps du panache de la Réunion nous a autorisés à calculer la séquence d'incompatibilité des éléments traces lors du processus de fusion partielle à l'origine des liquides inclus. Les résultats indiquent un comportement très incompatible du Pb, alors que celui-ci est généralement considéré comme voisin du celui du Ce lors de la fusion dans un environnement océanique. Cette observation implique l'absence de sulfure résiduel dans la source du panache lors de l'extraction des magmas, ce qui singulariserait la source du panache de la Réunion des autres sources d'îles océaniques. Enfin, une modélisation de la source du panache suggère une composition relativement comparable à celle du manteau primitif, mais toutefois légèrement appauvrie en éléments les plus incompatibles. Ainsi, la source de la Réunion est constituée d'un manteau faiblement appauvri par l'extraction de la croûte continentale, qui, par la suite, n'a pas ou peu été modifié par les processus de différenciation ou de recyclage.