Ce travail de thèse est consacré à la problématique de l'extraction de signaux dans le domaine des sciences de l'atmosphère. Le point commun des problèmes considérés est la notion de détection et d'estimation de signaux cachés. L'approche par la modélisation probabiliste s'est avérée y être bien adaptée. Nous nous sommes attachés à répondre à différentes questions telles que : quel type d'information s'attend-on à trouver dans un jeu de données ? Le signal supposé caché se trouve-t-il réellement dans les données d'étude ? Comment détecter l'instant d'occurrence d'un phénomène, comment le caractériser (timing, amplitude ...) ? Si un tel signal est détecté, quelle (in)certitude est associée à cette détection ? Nous répondons à ces différentes questions au travers du développement de différents modèles probabilistes de détection d'évènements cachés. Nous nous sommes intéressés à différents modèles non stationnaires, dont deux sont notamment présentés dans un cadre multivarié. Au travers de trois modèles probabilistes décrivant des signaux cachés divers (rupture de variance, signaux éruptifs et changement de moyenne), nous avons aussi développé des méthodes associées de détection. Le premier modèle est appliqué à la détection de nuages stratosphériques polaires dans des profils lidar, le deuxième à des éruptions volcaniques dans des séries chronologiques de sulfate et enfin le troisième est appliqué à la détection de la date de l'onset de la mousson Africaine dans des données géophysiques liées à la dynamique atmosphérique et aux précipitations. Les différentes méthodes mises en place font appel à une variété de techniques de modélisation probabiliste allant de la maximisation de rapport de vraisemblance associée à des tests d'hypothèses à la résolution de filtres de Kalman dans un cadre non stationnaire et non linéaire pour la décomposition de séries multivariées couplée à la détection des signaux cachés. Les difficultés techniques liées à l'extraction de signaux cachés sont analysées et les performances des différents algorithmes sont évaluées. Les résultats obtenus confirment l'intérêt des méthodes probabilistes appliquées à ces problématiques de signaux cachés en sciences de l'atmosphère.

En acoustique sous marine, les 'etudes sur les zones en eau peu profondes sontredevenues strat'egiques. Cette th'ese porte sur l' 'etude de la s'eparation et la d'etectionde trajet dans le cadre des eaux peu profondes tomographie acoustique oc'eanique. Dansune premi'ere 'etape de notre travail, nous avons donn'e un bref aperc¸u sur les techniquesexistantes de traitement acoustique sous-marine afin de trouver la difficult'e toujoursconfront'es 'a ce type de m'ethodes. Par cons'equent, nous avons fait une conclusion qu'ilest encore n'e cessaire d'am'eliorer la r'esolution de s'eparation afin de fournir des informationsplus utiles pour l' 'etape inverse de la tomographie acoustique oc'eanique.Ainsi, une enquˆete sur les mthodes haute r'esolution est effecut'ee. Enfin, nous avonspropos'e une m'ethode 'a haute r'esolution appel'ee lissage MUSICAL (MUSIC Active largeband), qui combine le lissage de fr'equence spatiale avec l'algorithme MUSICAL, pourune s'eparation efficace de trajet coh'erentes ou totalement corr'el'es. Cependant, cettem'ethode est bas'ee sur la connaissance a priori du nombre de trajet. Ainsi, nous introduisonsun test (exponential fitting test) (EFT) 'a l'aide de courte longueur des 'echantillonspour d'eterminer le nombre de trajets. Ces deux m'ethodes sont appliqu'ees 'a la fois desdonn'ees synth'etiques et les donn'ees r'eelles acquises dans un r'eservoir 'a petite 'echelle.Leurs performances sont compar'ees avec les m'ethodes conventionnelles pertinentes.

Les effondrements massifs de flancs sont des évènements destructeurs qui affectent tous les édifices volcaniques. Ces effondrements peuvent impliquer quelques dizaines, voire centaines de km3 de roche. Les volcans boucliers océaniques, bien que possédant de faibles pentes, sont également affectés par ces épisodes destructeurs, entraînant la formation de tsunamis. Dans le contexte de bouclier océanique, ces déstabilisations n’ont jamais été observées. Actuellement, seules des reliques sont présentes sur les îles volcaniques, avec la présence de cicatrices d’effondrements, de dépôts détritiques en mer ou de dépôts de tsunami sur les îles voisines. Les relations entre le magmatisme des volcans boucliers et les effondrements de flanc sont peu contraintes. Afin de mieux comprendre ces relations, deux effondrements de flanc de volcans boucliers océaniques ont été étudiés : l’effondrement de Monte Amarelo sur l’île de Fogo, dans l’archipel du Cap Vert, et l’effondrement de Güímar, situé sur la rift-zone Nord-Est de Tenerife, dans l’archipel des Canaries. Les deux archipels résultent de l’activité d’un panache mantellique sous la plaque africaine.Les produits volcaniques pré et post-effondrement de ces deux secteurs ont été étudiés d’un point de vue géochimique (majeurs, traces, isotopes Sr-Nd-Pb), pétrologique et géochronologique (K-Ar, Ar-Ar), de manière à identifier à la fois les sources et les processus magmatiques mis en jeu lors de leur formation. L’évolution temporelle des sources, ainsi que des processus magmatiques, a été reconstruite afin d’identifier d’éventuels liens avec l’effondrement de flanc étudié.Les résultats montrent que l’évolution du magmatisme de l’île de Fogo amène à la formation de zones superficielles de stockage, de complexes intrusifs et d’éruptions explosives conduisant à de nouvelles instabilités de l’édifice. Suite à l’effondrement, ces zones de stockage sont déstabilisées en quelques milliers d’années. Les processus magmatiques lithosphériques (assimilation, fusion partielle) sont également perturbés mais sur une période plus longue (plusieurs dizaines de milliers d’années). L’effondrement de Güímar ne montre aucun lien avec le magmatisme de l’île de Tenerife.La différence principale entre ces deux contextes est la localisation de la zone effondrée par rapport au système magmatique. En effet, l’effondrement de Güímar est situé en périphérie du système magmatique et ne montre aucun lien avec ce dernier ; à l’inverse l’effondrement du Monte Amarelo, situé à l’aplomb du système magmatique, se répercute rapidement sur ce système à faible profondeur, mais également à des profondeurs lithosphériques avec un délai plus long. / Massive flank collapses are destructive events that affect all volcanic edifices. They can take off huge volumes of rock, from tens to hundreds km3. Oceanic shield volcanoes are also affected by such events even if they have shallow slopes, thus, tsunamis could also be generated in this context. However, a shield volcano flank collapse has never been observed. Nowadays, only relics are visible, such as collapse scars, detritic deposit offshore or tsunami deposits on nearby islands. The relationships between collapse and magmatic history of oceanic shield volcanoes are poorly constrained. Two flank collapses are studied in this thesis, with the aim to better understand these relationships: the Monte Amarelo collapse, on Fogo Island (Cape Verde), and the Güímar collapse, located on North-East rift-zone of Tenerife (Canary Islands). Those archipelagos are the result of hot spot activity below the African plate. Geochemical (major and trace elements, and Sr-Nd-Pb isotopes), petrological and geochronological (K-Ar and Ar-Ar) analyses were carried out on volcanic samples as to identify the source and magmatic processes at stake during magma genesis. The temporal evolution of source and magmatic processes is reconstructed in order to track possible links with the flank collapse. The magmatic system of Fogo Island evolves through time, favouring the formation of superficial storage zones, intrusive complex and explosive eruptions prior to the collapse, which participate to the instability of the edifice. Following the Monte Amarelo collapse, shallow storage zones are destabilized within a few thousand years. Lithospheric magmatic processes (assimilation, partial melting) are also affected but on a longer timescale (tens of thousands years). The Güímar collapse shows no links with the magmatic evolution of Tenerife Island. The main difference between the two collapses is the location of the collapse area with respect to the plumbing system. Güímar collapse is located at the periphery of the plumbing system and show no link with the magmatic history. Contrariwise, the Monte Amarelo collapse is located directly above the plumbing system and influence rapidly the superficial plumbing system, and the deep plumbing system in the long term.

Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. La tomographie acoustique océanique utilise les fluctuations de signaux acoustiques enregistrés pour cartographier ces perturbations de vitesse du son. Cette étude propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques (plutôt que les temps de propagation utilisés classiquement) pour imager un guide d'onde océanique peu profond (~100 m), petite échelle (1 à 10 km), avec une haute résolution spatiale (10 m horizontalement, 2 m en profondeur). Dans ce contexte, les ondes acoustiques basse fréquence (~1 kHz) à large bande spectrale (~1.5 kHz) se propagent selon des trajectoires multiples assimilables à des rayons géométriques épais spatialement. L'utilisation d'un couple d'antennes (émission/réception) et de la double formation de voies permet de séparer les signaux en provenance des différents trajets acoustiques et de mesurer leur : temps de propagation (TP), direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD). Dans l'hypothèse de faibles perturbations, les variations des TP, DA et DD sont reliées linéairement aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions noyaux appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Les méthodes classiques d'inversion permettent alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Les méthodes développées ont été validées sur données simulées, puis appliquées à des données réelles d'expériences à échelle réduites réalisées dans la cuve ultrasonore de l'ISTerre, Grenoble. / In the ocean, temperature changes induce sound-speed perturbations. Ocean acoustic tomography uses the fluctuations of recorded acoustic signals, to map those sound-speed perturbations. To this end, sound-speed perturbations are classically related to the acoustic-wave travel-times measured on the records. This study suggests an alternative method to perform acoustic thermometry based on acoustic-wave propagation directions. It allows imaging a shallow-water waveguide (~100 m), at small scale (1 to 10 km), with high spatial resolution (10 m in range, 2 m in depth). In this context, wideband (~1.5 kHz) low frequency (~1 kHz) acoustic waves propagates along multiple paths similar to spatially « fat » geometrical rays. Using a pair of arrays (source/receiver) and the double-beamforming processing to separate acoustic signals coming from different paths and measure their: travel-time (TT), directions-of-arrival (DOA) and directions-of-departure (DOD). Under the hypothesis of small perturbations, TP, DOA and DOD variations are linearly related to sound-speed perturbations in an analytical way. This formulation based on Born's diffraction physics at the first order uses kernel functions called: the time-angle sensitivity kernels (T-A-SK). The T-A-SK model is then combined to classical inversion methods to retrieve sound-speed perturbations from TT, DOA and DOD variations. The methods developed here have been validated on simulated data, and applied on real small-scale data coming from the ultrasonic tank of the ISTerre, Grenoble.

En acoustique sous marine, les ´etudes sur les zones en eau peu profondes sontredevenues strat´egiques. Cette th`ese porte sur l’ ´etude de la s´eparation et la d´etectionde trajet dans le cadre des eaux peu profondes tomographie acoustique oc´eanique. Dansune premi´ere ´etape de notre travail, nous avons donn´e un bref aperc¸u sur les techniquesexistantes de traitement acoustique sous-marine afin de trouver la difficult´e toujoursconfront´es `a ce type de m´ethodes. Par cons´equent, nous avons fait une conclusion qu’ilest encore n´e cessaire d’am´eliorer la r´esolution de s´eparation afin de fournir des informationsplus utiles pour l’ ´etape inverse de la tomographie acoustique oc´eanique.Ainsi, une enquˆete sur les mthodes haute r´esolution est effecut´ee. Enfin, nous avonspropos´e une m´ethode `a haute r´esolution appel´ee lissage MUSICAL (MUSIC Active largeband), qui combine le lissage de fr´equence spatiale avec l’algorithme MUSICAL, pourune s´eparation efficace de trajet coh´erentes ou totalement corr´el´es. Cependant, cettem´ethode est bas´ee sur la connaissance a priori du nombre de trajet. Ainsi, nous introduisonsun test (exponential fitting test) (EFT) `a l’aide de courte longueur des ´echantillonspour d´eterminer le nombre de trajets. Ces deux m´ethodes sont appliqu´ees `a la fois desdonn´ees synth´etiques et les donn´ees r´eelles acquises dans un r´eservoir `a petite ´echelle.Leurs performances sont compar´ees avec les m´ethodes conventionnelles pertinentes. / As the studies on shallow-water acoustics became an active field again, this dissertationfocuses on studying the separation and detection of raypaths in the context of shallowwaterocean acoustic tomography. As a first step of our work, we have given a briefreview on the existing array processing techniques in underwater acoustics so as to findthe difficulties still faced by these methods. Consequently, we made a conclusion thatit is still necessary to improve the separation resolution in order to provide more usefulinformation for the inverse step of ocean acoustic tomography. Thus, a survey on highresolutionmethod is provided to discover the technique which can be extended to separatethe raypaths in our application background. Finally, we proposed a high-resolutionmethod called smoothing-MUSICAL (MUSIC Actif Large band), which combines thespatial-frequency smoothing with MUSICAL algorithm, for efficient separation of coherentor fully correlated raypaths. However, this method is based on the prior knowledgeof the number of raypaths. Thus, we introduce an exponential fitting test (EFT)using short-length samples to determine the number of raypaths. These two methodsare both applied to synthetic data and real data acquired in a tank at small scale. Theirperformances are compared with the relevant conventional methods respectively.

La caractérisation des dynamiques de sous-mésoéchelle (<10km) à la surface de l'océan et leurs impacts sur les processus océaniques globaux sont des enjeux scientifiques majeurs. L'imagerie satellitaire est un outil essentiel dans ce contexte, qui présente toutefois des limitations liées aux instruments de télédétection. Dans le cas des images de température de surface des océans (SST), les mesures satellitaires des structures océaniques sont limitées par la résolution grossière des capteurs micro-ondes (~50km) d'une part, et par la sensibilité aux conditions climatiques (e.g., couverture nuageuse) des instruments de mesure infrarouge haute-résolution. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'analyse, la modélisation et la reconstruction des structures turbulentes haute-résolution capturées par imagerie satellitaire de SST, et proposons quatre contributions principales. Dans un premier temps, nous développons une méthode de filtrage conjointe Fourier-ondelettes pour le prétraitement d'artefacts géométriques dans les observations satellitaires infrarouges. Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la caractérisation de la variabilité géométrique de champs de température de surface (SST) en utilisant des modèles de marches aléatoires appliqués aux lignes de niveaux. En particulier, nous considérons des processus aléatoires de type schramm Loewner (SLE). Nous nous intéressons ensuite à la modélisation stochastique des variabilités inter-échelles de champs de SST. Des modèles stochastiques de textures multivariées sont introduits. Ces modèles permettent de reproduire des propriétés statistiques et spectrales similaires à celles des données ayant servi à les calibrer. Nous développons ensuite des méthodes de super-résolution de champs de SST conditionnellement à une observation basse-résolution. Nous utilisons des modèles multivariés de textures formulés dans le domaine des ondelettes, en exploitant l'apprentissage d'à priori statistiques (i.e., covariances et covariances croisées) des différentes sous-bandes à partir d'images haute-résolution. Des contraintes supplémentaires imposées sur la phase de Fourier des différentes sous-bandes simulées permettent la reconstruction de structures géométriques marquées tels que les fronts. Nous démontrons la pertinence de la méthode proposée sur des images satellitaires de SST obtenues à partir du capteur Modis/Aqua. / The characterization of sub-mesoscale dynamics (<10 km) in the ocean surface and their impact on global ocean processes are major scientific issues. Satellite imagery is an essential tool within this framework. However, the use of remote sensing techniques still raise challenging. For instance, regarding Sea Surface Temperature (SST) images, satellite measurements of oceanic structures are limited by the coarse resolution of microwave sensors (~50km) on one hand, and by sensitivity to climatic conditions (eg., Cloud cover) of high-resolution infrared instruments on the other hand. In this thesis, we are interested in analysis, modeling and reconstruction of high-resolution turbulent structures captured by satellite SST imagery. In this context, we propose four main contributions. First, we develop a joint Fourier-Wavelet filtering method for the pre-processing of geometrical noises in satellite-based infrared observations, namely the striping noises. Secondly, we focus on the characterization of the geometric variability of sea surface temperature (SST) fields using random walk models applied to SST isolines. In particular, we consider the class of Schramm Loewner evolution curves (SLE). We then focus on the stochastic modeling of the cross-scale variabilities of SST fields. Stochastic multivariate texture-based models are introduced. These models are designed to reproduce several statistics and spectral properties that are observed on the data that are used to calibrate the model. We then develop our framework for stochastic super-resolution of SST fields conditionally to low-resolution observations. We use multivariate texture-based models formulated in the wavelet domain. These models exploit the formulation of statistical and spectral priors (i.e., covariances and cross-covariances) on wavelet subbands. These priors are directly learned from exemplar high-resolution images. Additional constraints imposed on the Fourier-phase of the different simulated subbands allow the reconstruction of coherent geometric structures such as the edge information. Our method is tested and validated using infrared high-resolution satellite SST images provided by Aqua Modis sensor.

Cette thèse a pour objectifs de documenter les variations spatiotemporelles de la zone de minimum d’oxygène (OMZ) du Pacifique Nord-Est, et d’identifier les mécanismes qui ont causé ces variations. L’étude est fondée sur l’analyse géochimique des composants majeurs, mineurs et traces de sédiments prélevés dans le Pacifique Nord-Est, en combinant des mesures par ICP-MS et scanneur XRF. Ces mesures ont permis de distinguer l’effet de la productivité biologique de celui de la ventilation océanique sur l’oxygénation du sédiment. J’ai pu mettre en évidence le rôle prépondérant de la productivité au niveau de la Basse Californie (23°N), qui varie en phase avec les températures en Atlantique Nord durant les 120.000 dernières années. Par ailleurs, la ventilation océanique a probablement joué un rôle important au niveau du golfe de Papagayo (12°N), par l’advection de masses d’eau provenant des hautes latitudes nord et sud. L’intensité de l’OMZ du Pacifique Nord-Est serait donc influencée par des modifications des circulations océaniques et atmosphériques, liées aux climats des hautes latitudes des deux hémisphères. / This thesis aims at documenting the spatiotemporal variations of the Oxygen Minimum Zone (OMZ) of the northeastern Pacific, and identifying the mechanisms that caused theses variations. The study is based on the geochemical analyses of major, minor, and trace elements of sediments from the northeastern Pacific, by combining ICP-MS and XRF scans measurements. These measurements allowed distinguishing the effect of biologic productivity and oceanic ventilation on sediment oxygenation. I was able to highlight the predominant impact of the productivity off the Baja California Margin (23°N), which varied in phase with the high northern Atlantic temperature across the past 120,000 years. Moreover, oceanic ventilation did play an important role off the Papagayo Gulf (12°N), because of the advection of water mass coming from the high northern and southern latitudes. OMS intensity in the northeastern Pacific could thus be influenced by changes in the atmospheric and oceanic circulation, in relation to high northern and southern latitudes climates.

L'objectif était d'utiliser le cytomètre en flux (Cytosense, CytoBuoy b.v., NL) afin de comprendre l'influence des paramètres structurels et morphologiques des cellules phytoplanctoniques sur la rétrodiffusion. Nous avons analysé les propriétés optiques des cellules sur différentes phases de croissance. Une expérience en microcosme a été réalisée sur deux espèces (Thalassiosira pseudonana et Chlamydomonas Concordia) durant 20 jours. Les efficacités de diffusion avant et de côté de Thalassiosira pseudonana étaient respectivement 2,2 et 1,6 fois plus importantes que celles de Chlamydomonas Concordia. Les variations intra- et inter-espèces ont été expliquées par des simulations théoriques et des mesures in situ (biogéochimiques et observations au microscope à balayage électronique). Les mesures in situ ont permis d'obtenur des informations sur la structure des cellules (e.g. épaisseur de la frustule). L'efficacité de diffusion avant est impactée par l'agrégation et la taille des cellules. L'indice de réfraction réel du chloroplaste est un paramètre clé pouvant expliquer les variations de l'efficacité de côté. À l'avenir, nous recommandons d'utiliser un modèle à deux couches (cytoplasmes-chloroplaste) pour simuler les propriétés optiques des cellules phytoplanctoniques. Une analyse de la relation entre la concentration en carbone organique particulaire (POC) et le coefficient de rétrodiffusion a été effectuée. Des relations linéaires fortes ont été observées uniquement durant la phase exponentielle. Une reconstruction du coefficient de rétrodiffusion a permis de mettre en évidence que le POC était d'origine phytoplanctonique pour une espèce et d'origine bactérienne pour l'autre. / The objective was to use the flow cytometer (Cytosense, CityBuoy B.V., NL) to understand the influence of structural and morphological parameters of phytoplankton cells on the backscattering. We have analyzed the optical properties of the cells over different growth phases. A microcosm experiment was performed on two species (Thalassiosira pseudonana and Chlamydomonas Concordia) during 20 days. The forward and sideward efficiencies of Thalassiosira pseudonana were, respectively, 2.2 and 1.6 times higher than the efficiencies Chlamydomonas Concordia. The inter- and intra-species variations were explained by theoretical simulations and in situ measurements (biogeochemical and observations from scanning electron microscope). In situ measurements were used to obtain informations about the cell structure (e.g. thickness of the frustule). The forward efficiency was impacted by the aggregation and the cell size. The real refractive index of the chloroplast is a key parameter that could explain variations of the sideward efficiency. In the future, we recommend to use a two-layered sphere model (cytoplasm-chloroplast) to simulate the optical properties of phytoplankton cells. An analysis of the relationship between the particulate organic carbon concentration (POC) and the backscattering coefficient was performed. Strong linear relationships were observed only during the exponential phase. A reconstruction of the backscattering coefficient permitted to highlight that the POC was from phytoplankton cells origin for a species and bacterial origin for the other one.

La variabilité du contenu de chaleur hivernal de l'océan supérieur et ses mécanismes de causalité ont été étudiés en utilisant des observations et des produits de réanalyse dans le Pacifique Nord-Ouest. La relation entre la mousson d'hiver dans l'Asie de l'Est (EAWM) et l'Oscillation du Pacifique Nord (NPO) et leurs impacts sur la température de surface de la mer (SST) sont non stationnaires, avec un changement soudain en 1987/1988. L'EAWM et la NPO, qui étaient bien corrélées en 1973-1987, ne sont pratiquement plus corrélées en 1988-2002. Cette relation non stationnaire est liée au fort affaiblissement décennal de la haute pression Sibérienne après le changement de régime en 1988, ainsi qu'au changement concomitant du dipôle de la NPO positive. L'influence de l'EAWM et de la NPO sur la SST hivernale dans la région d'étude a significativement diminué après 1990. Le bilan de chaleur dans les 400 premiers mètres a été analysé à l'aide des sorties d'un modèle de la circulation océanique générale à haute résolution. Le taux de stockage de chaleur hivernal des échelles interannuelles à décennales est principalement déterminé par l'advection océanique plutôt que par le flux net de chaleur air-mer. Le rôle de l'advection de chaleur devient particulièrement important après le changement de régime en 1990, en association avec la réduction de la variabilité du flux de chaleur en surface causée par une faible variabilité de la SST. Le flux net de chaleur air-mer freine les anomalies thermiques créées par la dynamique océanique associée avec le déplacement méridien du front de l'Extension de l'Oyashio, qui est fortement corrélé avec les modes de téléconnexion de WP et PNA. / Winter upper-ocean heat content variability and its causal mechanisms are investigated using observational and reanalysis products in the western North Pacific. The relationship between the East Asian winter monsoon (EAWM) and the North Pacific Oscillation (NPO) and their impact on the sea surface temperature (SST) are nonstationary, with a sudden change at 1987/1988. During the 1973-87, the EAWM and NPO were significantly correlated to each other, but their correlation practically vanishes during the 1988-2002. This nonstationary relationship is related to the pronounced decadal weakening of the Siberian high after the 1988 regime shift as well as the concomitant positive NPO-like dipole change. The influence of EAWM and NPO to the winter SST in the study region is significantly decreased after the sudden change near-1990. The upper 400 m heat budget in the western North Pacific is analyzed using outputs from a high resolution ocean general circulation model. Winter heat storage rate on interannual to decadal time scales is mainly determined by oceanic heat advection rather than by net air-sea heat flux. The role of heat advection becomes particularly prominent after the 1990 regime shift in association with the reduced variability of surface heat flux caused by weakened SST variability. The net heat flux acts to dampen temperature anomalies caused by the ocean dynamics principally associated with the meridional shift of the Oyashio Extension front, which is significantly correlated with the West Pacific (WP) and Pacific-North America (PNA) teleconnection patterns.

Les terres rares sont des éléments chimiques au comportement très proche. Elles regroupent deux systèmes radioactifs de longue vie: 138La-138Ce (T1/2 = 292.5 Ga) et 147Sm-143Nd (T1/2= 106 Ga). Le Ce présente la particularité de s’oxyder sous forme 4+ dans les milieux supergènes alors que les autres terres rares sont présentes sous forme trivalente (3+). Ce comportement particulier du cérium induit une forte anomalie négative en Ce dans l’eau de mer et dans les sédiments se formant en équilibre avec l’eau de mer (sédiments biogènes et authigènes). L’étude du rapport 138Ce/142Ce peut apporter des informations concernant la nature des sédiments recyclés au cours des processus de subduction, et plus particulièrement sur la participation de sédiments authigènes et biogènes puisque de nombreuses laves sont caractérisées par des anomalies négatives en cérium. L’étude du système 138La-138Ce a été développée dans les années 80. Le temps de demi-vie du système étant important, et l’abondance du 138La faible, les variations du rapport isotopique 138Ce/142Ce sont toujours faibles. Nous proposons donc de reconsidérer l’étude du système 138La-138Ce avec la nouvelle génération de spectromètre de masse. Les mesures isotopiques du Ce sont réalisées sous forme oxyde sur un spectromètre de masse à thermo-ionisation. La précision analytique obtenue, après correction du fractionnement de masse de l’oxygène et de l’effet de queue de pic du 140Ce, est de 40 ppm sur une même session analytique. Une grande quantité de données ont été obtenues sur les standards de Ce AMES et JMC-304, ainsi que sur les standards de roche BCR-2 et BHVO-2. Deux zones de subduction intra-océaniques présentant des contextes géodynamiques contrastés ont été étudiées: les Petites Antilles et les Mariannes. Nous avons analysé les rapports isotopiques 138Ce/142Ce des laves, des sédiments provenant des piles sédimentaires forées en amont des fosses ainsi que des MORB dans le but de mieux caractériser la nature des sédiments participants à la genèse des laves. Les laves de la Martinique (Petites Antilles) présentent de grandes variabilités isotopiques en Ce et corrèlent avec les isotopes du Nd. L’origine des anomalies en cérium des laves ne peut pas être attribuée uniquement au composant sédimentaire participant à la genèse des laves. Dans le cas des Mariannes, les rapports isotopiques en Ce et Nd sont très homogènes. Des mélanges binaires solide-fluide entre le coin de manteau et les sédiments potentiellement subduits nous permettent de déterminer que les anomalies négatives en Ce des laves proviennent de la participation de fluides issus de la fusion partielle des sédiments biosiliceux (entre 1.5 et 7%). / Elements from the Rare Earth Elements have very close chemical behavior. They include two long-lived isotope systems: 138La-138Ce (T1/2 = 292.5 Ga) and 147Sm-143Nd (T1/2 = 106 Ga). Ce displays a specific behavior in supergene environments. For example in seawater cerium is oxidized in Ce (IV) whereas other rare earth elements are present in a trivalent state (3+). Thus, seawater rare earth element patterns are characterized by strong negative Ce anomalies. The sediments formed in equilibrium with seawater (biogenic and authigenic sediments) present similar chemical characteristics. The study of the 138Ce/142Ce ratio in lavas formed in subduction settings is able to bring additional information regarding the nature of recycled sediments, and more particularly the participation of authigenic materials in the genesis of these lavas since negative Ce anomalies are commonly measured in these samples. 138Ce/142Ce variations are always small given the long half-life of the parent isotope and its small abundance. Although the study of 138La-138Ce systematics has been developed during the 80’s, we propose here to reinvestigate its use as a potential tracer of recycled sediment with the new generation of mass spectrometers. The Ce isotopic compositions are measured in oxide species on a thermal ionization mass spectrometer. The analytical precision defined on the same analytical session is about 40 ppm after correction of oxygen mass fractionation and considering the tailing effect of 140Ce on lower masses. A large amount of data has been obtained on two artificial Ce standards (AMES and JMC-304), and on two rock standards (BCR-2 and BHVO-2). Two intra-oceanic subduction zones with contrasting geodynamic settings have been studied: the Lesser Antilles and the Marianas. We have analyzed the 138Ce/142Ce ratio on lavas, sediments drilled in front of the trenches, and MORB, in order to better characterize the nature of the sediments incorporated in the mantle wedge. A large Ce isotopic variability and correlation with Nd isotopes is observed for the Martinique lavas (Lesser Antilles). The origin of Ce anomalies of lavas cannot only be attributed to the participation of sediments at the source of the lavas. Marianas lavas present very similar Ce and Nd isotopic ratios. Binary solid-fluid mixing between the mantle wedge and sediments potentially subducted permits to assess the origin of the Ce anomalies to the participation of fluids coming from the partial melting of biosiliceous sediments (1.5% to 7%).