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Les chondres, témoin des débuts du Système Solaire, ont une origine encore débattue. En particulier, l'origine de leurs olivines est encore mal comprise. Furent-elles formées par processus magmatique ou de condensation ? Héritées ou formées directement dans le chondre ? Pour répondre cette question, une étude chimique détaillée a été réalisée sur des inclusions vitreuses piégées dans les olivines magnésiennes d'Allende (CV3). Des images 3D et des profils chimiques en profondeur des éléments majeurs montrent un comportement chimique similaire à celui d'inclusions magmatiques synthétiques, un argument en faveur d'une origine magmatique. Les inclusions ont ensuite été chauffées à haute température (1 800 °C) grâce à une platine chauffante unique au monde, développée au cours du projet, afin d'étudier le verre homogène. Les teneurs élevées en Na2O des inclusions chauffées montrent que les inclusions évoluent en système fermé et que les olivines se sont formées dans un environnement riche en Na. Du fait de la volatilité du Na à haute température, un tel environnement est difficilement conciliable avec une formation des olivines par condensation ou magmatique au sein des chondres. Ceci suggère donc que les olivines sont héritées. Des mesures de REE ont été réalisées par SIMS dans les inclusions et leurs olivines hôtes afin de calculer le taux de cristallisation nécessaire à la formation de ces olivines. Les compositions chimiques des magmas parents calculés d'après ces taux de cristallisation correspondent à celles attendues d'après les études expérimentales déjà existantes. Celles-ci suggèrent la formation des olivines au sein de planétésimaux fondus de composition CV ou CI / Chondrules, witnesses of the beginning of the Solar System still have a debated origin ti this day. In particular, the origin of chondrules' olivines is still poorly understood. Were they formed by magmatism or condensation processes? Inherited or grown directly within the chondrule? In order to answer this, a detailed chemical study was undertook on glass inclusions trapped in Mg-rich olivines from Allende (CV3) meteorite. 3D images and chemical depth profiles showed a similar behavior between Allende's inclusions and synthetic magmatic ones, which is an argument in favor of a magmatic origin for olivines. Glass inclusions were then heated at high temperature (1 800 °C) via a new and unique heating stage developed during the project, in order to study the homogeneous glasses. High Na2O amounts in heated inclusions show that they behave as closed systems and that olivines formed in a Na-rich environment. Because Na is highly volatile at high temperatures, such an environment is hard to reconcile with olivines forming by condensation or magmatism within chondrules. This suggests that olivines are inherited. Measurements of REE were performed via SIMS in inclusions and hosts olivines in order to calculate the crystallization rates necessary to olivines formation. Chemical compositions of parent magmas, calculated from crystallization rates correspond to those expected from previous experimental studies. They suggest that olivines from chondrules form within molten planetesimals of global CI to CV composition

L'objectif de cette thèse est d'étudier la signification de l'eau dissoute dans les magmas tracée par les inclusions vitreuses dans les olivines. Pour se faire nous avions besoin d'avoir accès à une méthode à forte résolution spatiale permettant d'obtenir facilement, rapidement et précisément une large base de données sur inclusions. Ainsi, le déroulement de cette thèse a d'abord été orienté vers un développement de la spectroscopie Raman. Nous avons ainsi proposé une méthode permettant de comprendre et contrôler les différents effets de matrice affectant les procédures analytiques (GCA, 2009; Chemical Geology, 2009). Cette méthode a ensuite été testée sur échantillons naturels (inclusions vitreuses) sur une large gamme de compositions mafiques (trachyandésite à basanite) et validée par une comparaison avec la spectroscopie infrarouge (GCA, soumis). Les nouveaux coefficients d'absorptivité infrarouge déterminés pour les compositions mafiques couplés aux données de la littérature nous ont permis d'identifier l'évolution de ces coefficients en fonction de la chimie des verres. La dernière partie de ce travail concerne l'étude du comportement de l'eau dans les liquides primaires piégés sous forme d'inclusions (exemple de La Sommata, Vulcano). Après une campagne d'échantillonnage, nous avons réalisé une étude fine de la composition (éléments majeurs et volatils dissous CO2, S, Cl) des inclusions et de leurs olivines hôtes à l'état naturel et soumises à des expériences hautes températures (1200-1250°C). Les résultats chimiques et isotopiques (D/H) démontrent la fidélité des inclusions pour tracer le caractère primaire et hydraté des magmas en contexte de subduction.

Si on excepte le pôle fayalite, les propriétés élastiques des olivines (Fe,Mg)2SiO4 riches en fer n'ont pratiquement pas été étudiées malgré leur existence avérée sur Terre et sur Mars. Le but de cette thèse est donc d'étudier l'évolution des propriétés élastiques en fonction de la teneur en fer des olivines. Des agrégats polycristallins à grains fins ont été densifiés à l'aide de la technique de frittage flash (SPS) pour quatre compositions différentes (Fa44, Fa63, Fa81 and Fa100) à partir de poudre nanométriques d'oxydes synthétisées en atmosphère contrôlée. Les échantillons ont été étudiés jusqu'à des pressions de 6,4 GPa sur la presse DIA de la ligne X17B2 du National Synchrotron Light Source au Brookhaven National Laboratory. Les volumes de maille des échantillons et du NaCl (pour la calibration en pression) ont été déterminés par diffraction des rayons X afin de calculer le module de compressibilité isotherme (KT0) à l'aide de l'équation d'état de Birch-Murnaghan. Malgré nos efforts pour obtenir une pression hydrostatique, nous observons une importante contrainte déviatorique dans toutes les expériences. Grâce au réseau de 10 détecteurs de la ligne expérimentale et à la méthode de Singh (1993), nous avons tenté de corriger les valeurs de distance interréticulaire des effets de la contrainte déviatorique. Les données corrigées ne sont toutefois pas suffisantes pour déterminer une valeur de la dérivée en pression K'. Elle nous permettent cependant de proposer, en lien avec les valeurs de la littérature, un évolution de KT0 en deux palier : les compositions proches des pôles purs auraient des valeurs constantes de ~128 GPa pour les olivines riches en Mg et de ~135 GPa pour les olivines riches en Fe, alors que la valeur augmenterait rapidement d'un palier à l'autre entre Fa50 and Fa70. Pour les échantillons Fa81 et Fa100, nous avons également effectué des mesures à l'aide d'interférométrie ultrason combinée à de l'imagerie en rayons X. Les modules de compressibilité adiabatique (KS0) et de cisaillement (G) ont été calculés à partir des vitesse de propagation des ondes P et S. Les valeurs obtenues une fois les valeurs converties en KT0 sont significativement plus basses que les valeurs de diffraction des rayons X. Par contre, les valeurs de G s'accordent bien avec l'évolution linéaire en fonction de la teneur en fer des olivines proposée par Liu et al. (2005). / Except for the fayalite end-member, elastic properties of iron-rich olivine (Fe,Mg)2SiO4 have never been fully studied despite their aknowledged natural existence on Earth and Mars. The purpose of this thesis is to investigate on the evolution of elastic properties with regard to the iron content of olivines. Fine-grained polycrystalline aggregates of four different compositions (Fa44, Fa63, Fa81 and Fa100) were sintered by Spark Plasma Sintering (SPS) from nano-powder olivines synthesised under controlled atmosphere. These samples were then studied at pressures up to 6,4 GPa using the DIA press at X17B2 beamline of the late National Synchrotron Light Source at Brookhaven National Laboratory. Unit cell of the samples and NaCl pressure calibrant were determined using X-ray diffraction and used to calculate the isothermal bulk modulus (KT0) by fitting to a Birch-Murnaghan equation of state. Despite our best efforts to apply a hydrostatic pressure on the sample, a high level of deviatoric stress was observed in every experiment. Correction for the deviatoric stress on the d-spacing data was applied using the 10 detectors setup of the beamline and the calculations from Singh (1993) but is not sufficient to calculate a precise pressure derivative K'. These corrected data combined with literature allow us to propose a two level evolution of KT0, with constant values of ~128 GPa for the Mg-rich olivines and ~135 GPa for the Fe-rich olivines, connected by a quick raise between Fa50 and Fa70. In addition, we conducted ultrasonic interferometric measurements combined with X-ray imaging on the Fa81 and Fa100 samples. The adiabatic bulk modulus (KS0) and shear modulus (G) were calculated from compression and shear wave velocities. When converted into KT0, KS0 values are significantly lower than the X-ray diffraction ones. On the opposite, G values are in good agreement with the linear evolution with iron content of olivines calculated by Liu et al. (2005).

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".

Les processus de déformation contrôlant l'amincissement de la lithosphère continentale sont encore mal contraints. Nos connaissances sont principalement basées sur la modélisation thermomécanique d'extension à l'échelle de la lithosphère--utilisant des lois rhéologiques derivées expérimentalement, l'imagerie géophysique et l'analyse de xénolithes provenant de rift continentaux actifs à ce jour, tels que le Rift Est-Africain. L'originalité de ce travail reside dans l'étude des deux plus grands massifs de péridotites sous-continentales ayant enregistrées des conditions primaires du facies à diamant: les massifs de Beni Bousera au nord du Maroc et de Ronda au sud de l'Espagne, respectivement. Les structures et la zonation petrologique et métamorphique --impliquant une évolution polybarique et polythermique-- préservéees dans ces massifs offrent une opportunité unique pour étudier l'évolution thermo-mécanique du manteau sous-continental dans un contexte extensif. Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes de déformation des péridotites et des pyroxénites afin de contraindre les modes d'exhumation du manteau lithosphérique sous-continental, depuis des conditions du facies des lherzolites à grenat, jusqu'au facies à spinelle et enfin à plagioclase. Nous avons combiné la cartographie des faciès tectono-métamorphiques et des structures ductiles de déformation, l'analyse des microstructures, la mesure d'orientations préférentielles de réseau (OPR), et la géothermobarométrie conventionelle couplée à la modélisation thermodynamique (PerpleX) afin de contraindre les conditions de pression et température de la déformation. Nous avons montré que l'exhumation précoce du facies à grenat au facies à spinelle était accomodée par une faille transtensive affectant le manteau lithosphérique. Dans ce contexte, la zonation tectono-métamorphique et le gradient thermique important (ca. 100ºC/km) préservés à Beni Bousera résultent de la juxtaposition mécanique de domaines lithosphériques initialement équilibrés à différentes pressions et températures, fossilisée à une profondeur de ca. 60 km durant l'Oligocène supérieur (ca. 25 Ma). L'exhumation finale du facies de lherzolite à spinelle au facies à plagioclase et l'emplacement final dans la croûte, mieux enregistrés dans Ronda, se sont produits par inversion et plissement de la section lithosphérique fortement amincie dans un contexte arrière-arc, probablement lors du retrait vers le sud de la lithosphère subduite et la collision de l'arc avec les paléo-marges maghrébines au Miocène inférieur (21-23 Ma).

Les éléments volatils, principalement l'eau, sont enrichis dans les magmas d'arcs. Ils jouent un rôle prépondérant dans le magmatisme de zone de subduction, que ce soit en permettant la fusion du manteau ou en influençant l'explosivité des éruptions en surface. L'objectif de cette étude est la caractérisation (en éléments majeurs, traces, volatils et isotopes du bore) des liquides primaires des magmas d'arcs et de leurs sources, afin de discuter de l'influence des phases mobiles issues du slab dans leur genèse. L'approche adoptée est l'analyse des inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes de quatre volcans répartis dans trois zones de subduction : Vulcano, dans l'arc Eolien (Italie), le Mont Shasta, dans l'arc des Cascades (Californie, Etats-Unis), le Pichincha et le Pan de Azucar, dans l'arc Equatorien. Les inclusions primaires étudiées contiennent des liquides basaltiques sous-saturés en silice, plus ou moins riches en CaO, dérivant d'une source mantellique veinée de zones riches en amphiboles (±clinopyroxène, ±phlogopite) et ayant subi un degré variable de métasomatisme. Leurs compositions en éléments traces illustrent l'enrichissement de leurs sources mantelliques par des composés mobiles issus du slab et de compositions contrastées. Il existe d'importantes variations des compositions en éléments volatils entre les inclusions provenant de plusieurs échantillons d'un même volcan (le Mont Shasta), celles provenant de plusieurs volcans d'une même zone de subduction (le Pichincha et le Pan de Azucar) ainsi qu'entre les inclusions des trois zones de subduction étudiées (arc Eolien, arc Equatorien et arc des Cascades). L'étude de l'évolution des teneurs en éléments volatils en fonction des pressions de saturation indique que seules les teneurs en Cl et F des inclusions magmatiques sont représentatives des teneurs du magma primitif. Le dégazage précoce et la formation de globules de sulfure affectent les teneurs en H2O, CO2 et S, qui peuvent être utilisées en tant qu'estimations minimales des teneurs des magmas primitifs. Les compositions en Cl des sources mantelliques des inclusions étudiées varient de 3±1 ppm à 450±125 ppm et celles en F varient de 16±6 ppm à 147±32 ppm (Cl/F de 0,2±0,1 à 3,6±1,2). L'association des rapports Cl/F des sources avec l'enrichissement en Nb (par rapport aux MORB) des inclusions et leurs valeurs isotopiques en bore suggère la participation de deux principaux composés mobiles dans la source de ces inclusions : (1) un liquide silicaté issu de la fusion des sédiments déshydratés (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pan de Azucar, qui possèdent des faibles δ11B ainsi qu'un fort enrichissement en Nb par rapport aux MORB) ; (2) un fluide aqueux formé lors de la déshydratation de la croûte océanique (principal agent métasomatique de la source des inclusions du Pichincha). Selon les propriétés physico-chimiques des différentes zones de subduction, ce fluide peut avoir les caractéristiques d'un fluide supercritique et être plus ou moins riche en éléments traces. Les compositions des inclusions de la Sommata (Italie) et de l'échantillon 95-15 du Mont Shasta montrent des enrichissements intermédiaires de leurs sources comparé à celles des inclusions du Pichincha et du Pan de Azucar. Leurs sources semblent avoir été métasomatisées par un mélange entre les deux composés métasomatiques décrits ci-dessus.