Le cycle global du carbone est fortement lié au bilan entre l’enfouissement en profondeur du carbone dans les zones de subduction, et les émissions de CO2 dans l'atmosphère par dégazage volcanique et métamorphique. Dans la zone d’avant arc (75-100 km en profondeur), les réactions de volatilisation et la dissolution des carbonates induite par l'infiltration des fluides aqueux sont les processus à l'origine de la production de fluides de composition C-O-H. Le carbone initialement piégé sous forme minéral dans les roches peut donc être mobilisé et transporté par ces fluides vers le manteau ou la croûte lithosphérique. Des estimations récentes prévoient que, compte tenu de l'ensemble des processus qui ont lieu dans les zones de subduction (volatilisation, dissolution, mais aussi bien le magmatisme et la formation de diapirs de metasediments), presque la totalité du carbone enfoui serait mobilisé et transféré en phase fluide dans la croûte ou dans le manteau.La percolation de fluides COH à travers des roches de la plaque plongeante et du manteau n'est pas seulement critique pour le recyclage du carbone, mais elle joue aussi en rôle sur le contrôle de l'état d’oxydoréduction du manteau, sur la mobilisation des éléments non volatils, ainsi que sur la rhéologie de ces roches. Cependant, les connaissances sur l'évolution de ces fluides à hautes pressions sont très limitées. Cette étude est centrée sur la caractérisation pétrologique, géochimique et isotopique des échantillons naturels de roches métasomatiques carbonatées de l'unité en facies lawsonite-eclogite de la Corse Alpine (France). Ces roches métasomatiques se localisent sur plusieurs kilomètres le long des contacts lithosphériques majeurs hérités de la plaque océanique subductée, et peuvent révéler des informations importantes sur l'évolution des fluides COH en condition de haute pression pendant la subduction. Dans ce travail, il sera démontré que l'interaction des fluides COH avec des roches silicatées à hautes pressions (entre 2-2.3 GPa et 490-530 ° C) peut causer la dissolution des silicates et la précipitation de carbonates, processus défini comme carbonatation à haute pression. Une caractérisation pétrologique et géochimique détaillée des échantillons, couplée à une étude systématique des isotopes de l'oxygène, du carbone et du strontium-néodyme sera utilisée pour déduire la composition et l'origine multi-source des fluides impliqués. Les implications géochimiques des interactions fluide-roche seront quantifiées par des calculs de bilan de masse et de flux de fluides intégrés dans le temps. Cette étude met en évidence l'importance de la remonté des fluides COH le long des gradients en pression et température pour le stockage du carbone dans les zones de subduction. / The balance between the carbon input in subduction zone, mainly by carbonate mineral-bearing rock subduction, and the output of CO2 to the atmosphere by volcanic and metamorphic degassing is critical to the carbon cycle. At fore arc-subarc conditions (75-100 km), carbon is thought to be released from the subducting rocks by devolatilization reactions and by fluid-induced dissolution of carbonate minerals. All together, devolatilization, dissolution, coupled with other processes like decarbonation melting and diapirism, are thought to be responsible for the complete transfer of the subducted carbon into the crust and lithospheric mantle during subduction metamorphism. Carbon-bearing fluids will form after devolatilization and dissolution reactions. The percolation of these fluids through the slab- and mantle-forming rocks is not only critical to carbon cycling, but also for non-volatile element mass transfer, slab and mantle RedOx conditions, as well as slab- and mantle-rock rheology. The evolution of such fluids through interactions with rocks at high-pressure conditions is, however, poorly constrained. This study focuses on the petrological, geochemical and isotopic characteristic of carbonated-metasomatic rocks from the lawsonite-eclogite unit in Alpine Corsica (France). The study rocks are found along major, inherited lithospheric lithological boundaries of the subducted oceanic-to-transitional plate and can inform on the evolution of carbon-bearing high-pressure fluids during subduction. In this work, it will be demonstrated that the interaction of carbon-bearing fluids with slab lithologies can lead to high-pressure carbonation (modeled conditions: 2 to 2.3 GPa and 490-530°C), characterized by silicate dissolution and Ca-carbonate mineral precipitation. A detailed petrological and geochemical characterization of selected samples, coupled with oxygen, carbon and strontium, neodymium isotopic systematic will be used to infer composition and multi-source origin of the fluids involved. Geochemical fluid-rock interactions will be quantified by mass balance and time-integrated fluid fluxes estimations. This study highlights the importance of carbonate-bearing fluids decompressing along down-T paths, such as along slab-parallel lithological boundaries, for the sequestration of carbon in subduction zones. Moreover, rock-carbonation by fluid-rock interactions may have an important impact on the residence time of carbon and oxygen in subduction zones and lithospheric mantle reservoirs as well as carbonate isotopic signatures in subduction zones. Lastly, carbonation may modulate the emission of CO2 at volcanic arcs over geological time scales.

Thesis (Ph. D.)--Oregon State University, 2006. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 224-238). Also available on the World Wide Web.

Les zones de subduction sont les plus grands systèmes de recyclage de notre planète. Elles permettent le recyclage de l'eau contenue dans la croûte océanique hydratée et de la lithosphère du manteau supérieur. L'eau joue un rôle clé dans de nombreux processus associés aux zones de subduction, comme la tectonique des plaques, la production de magma, le transport élémentaire et la génération de tremblement de terre. La composition chimique, le contenu H2O de la lithosphère océanique, l'âge et la géométrie de la plaque océanique sont les principaux facteurs contrôlant les processus de subduction, y compris la déshydratation.L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le régime de la libération de l'eau depuis la plaque océanique subductante et le comportement du Fe et du S en contenus dans les serpentinites, qui représentent la principale lithologie de roche hydratées océaniques. L'approche expérimentale de ce travail permet d’étudier les changements chimiques et minéralogiques associés lors la déshydratation des serpentinites de différentes compositions. Un certain nombre de techniques d'analyse ont été utilisées pour étudier l’influence de la composition de la roche totale sur la composition des assemblages produits. Les intervalles de pression de température expérimentalement étudiés, à savoir 2 GPa et 450-900C, représentent des zones de subduction chaudes. L'extrapolation à d'autres gradients géothermiques communs a été faite par thermodynamique. Les compositions de serpentinite étudiées correspondent aux péridotites serpentinisées naturelles décrites pour la lithosphère océanique.Mon travail indique que la teneur en Fer contrôle a stabilité thermique d’antigorite. Déshydratation de serpentinites avec Fe, par conséquent, pasee à des températures plus basses par rapport aux assemblages Fe-libres. La déshydratation observée dans les systèmes sans Fer se fait le long d'une réaction univariante, alors que dans les systèmes contenant du Fer, la déshydratation se fait sur un domaine de température (réactions de déshydratation divariantes). De plus, la présence de Al dans serpentinite stabilise clinochlore, qui conserve 15% de l'eau initiale jusqu'à ~ 120 km (820°C/2 GPa) dans subduction chaud. Cette dépendance sur Fe et Al apporte importance de considérer non seulement la géométrie et l'âge de la plaque océanique, mais aussi une composition de lithologies lors de la modélisation et d’interprétation de subduction. Une comparaison entre la profondeur des séismes et la profondeur de déshydratation des serpentinites indique une possible contribution de la libération de l'eau à la sismicité dans les zones de subduction chaudes et à pente faible.La spectroscopie d'absorption des rayons X montre une réduction progressive de Fe et de S dans des serpentinites. Le rapport Fe3+/ Fetotal, de la roche totale, élevé dans la serpentinite, diminue dans les assemblages anhydres de haute température par décomposition de la magnétite (< 550°C) et de l’antigorite (700°C). La pyrite des serpentinites se transforme en pyrrhotite en-dessous de 450°C et induit une libération de ¼ de soufre initial, probablement sous forme de H2S. La magnétite et la pyrite présentes dans des serpentinites, sont des phases cruciales pour la production de fluides très oxydés et d’espèces volatiles soufrées qui peuvent être transportés depuis la plaque subductée vers le coin mantellique. Application des résultats montre que les fluides s’élevant de la plaque océanique sont responsables de l'oxydation du manteau; et décomposition de la magnétite et l’antigorite avec au moins 100°C différence peut provoquer une libération de fluides chimiquement différents à peu profond (basse-T) et profondes (T-élevé) parties de subduction. / Subduction zones are the largest recycling systems of our planet. Subduction zones involve recycling of water from hydrated oceanic crust and lithosphere to the upper mantle. Water plays a key role in subduction zone processes, including plate tectonics, magma generation, elemental transport and earthquake generation. The chemical composition, H2O content of oceanic lithosphere sinking to the mantle, age and geometry of subducting oceanic slab are the main factors controlling subduction zone processes including dehydration.The principle aim of this dissertation is to investigate the regime of water release from subducting oceanic plate and the associated behavior of Fe and S in serpentinites, which are the main carriers of water into the slab. The experimental approach of my work allows one to compare chemical and mineral changes occurred during dehydration of serpentinites with different composition. A number of analytical techniques were applied to study the influence of bulk rock composition on the mineral chemistry of produced assemblages. The experimentally investigated pressure-temperature ranges, i.e. 2 GPa and 450-900C, are representative for hot subduction zones. The extrapolation to other common geothermal gradients was done through thermodynamic modeling. The investigated serpentinite compositions correspond to natural serpentinized peridotites described for oceanic lithosphere.Bulk Fe content was demonstrated to decrease thermal stability of antigorite by 25C on average. Dehydration of Fe-bearing serpentinites, consequently, occurs at lower temperatures compared to Fe-free assemblages. Dehydration reactions observed in Fe-free systems are univariant reactions, while in Fe-bearing systems, serpentinites dehydration appears over a range of temperature through divariant reactions. Moreover, the presence of Al in serpentinite stabilized clinochlore, which retains 15% water initial contain in serpentinite down to ~120km (820°C/2 GPa) within hot subduction. Such a dependence of serpentinite dehydration on bulk Fe and Al brings importance of considering not only geometry and the age of the slab, but also a composition of slab lithologies while modeling and interpreting processes in subduction zone. A comparison of the depths of serpentinite dehydration and seismicity revealed a strong correlation and therefore a potential contribution of water release to seismicity in the case of hot subduction zones (i.e., Chili type subduction).X-ray absorption spectroscopy measurements revealed a progressive reduction of Fe and S in investigated serpentinites. The bulk Fe3+/Fetotal ratio initially high in serpentinite is shown to decrease in anhydrous and higher temperature assemblages due to magnetite and Fe3+-bearing antigorite breakdown at <550°C and 700°C, respectively. The presence of pyrite in serpentinite, which transforms to pyrrhotite below 450°C, imposes a release of ¼ of initial sulfur, in H2S form. The presence of magnetite and pyrite in serpentinite, is crucial and responsible for the production of highly oxidized fluids and volatile sulfur species, which can be transported from the subducting slab into the mantle wedge. Application of results, obtained in the present study, to nature demonstrates that fluids rising from subducting slab are responsible for oxidation of overlying mantle, and in addition, magnetite and antigorite breakdown which occurs with at least 100°C difference may cause a release of chemically different fluids at shallow (low-T) and deep (high-T) parts of subduction.

Le but de ce travail est de préciser la déformation en mer à l'est de Taïwan et de notamment caractériser les failles actives majeures en particulier au niveau de l'avant-arc des Ryukyus. Le problème majeur associé à l'étude de cette région est que les séismes sont localisés en dehors des réseaux permanents et que cela conduit à des localisations peu précises limitant les analyses statistiques, tectoniques et donc l'estimation correcte de l'aléa sismique. Ce travail est inclus dans le projet ANR ACTS (Active Tectonics and Seismic Hazard in Taiwan).Pour atteindre cet objectif, nous travaillons à trois échelles de temps différentes pour lesquelles une méthode de localisation différente a été proposée pour obtenir une image précise de la déformation sismique et mettre en évidence les failles majeures en mer à l'est de Taïwan.D'abord, à l'échelle du siècle (à partir de l'analyse d'un catalogue de sismicité homogène en magnitude), les séismes historiques instrumentaux (1897-2007) montrent que la marge des Ryukyus a été affectée par 6 séismes de magnitude supérieure à 7 dont 4 pour lesquels la faille responsable n'est pas connue. Nous proposons une méthode de localisation relative qui permet de relocaliser les évènements historiques à partir des différences de temps d'arrivées P et S (T(S)-T(P)) à chaque station. La localisation est obtenue en recherchant les séismes analogues dans le catalogue instrumental récent (1991-2008) pour lesquels T(S)-T(P) à chaque station est proche. Cette méthode a été appliquée au plus gros séisme (en terme de magnitude) jamais enregistré à Taïwan, le séisme du 5 juin 1920 (M7.7 ± 0.2). Ce séisme a certainement rompu l'interplaque sismogène de la subduction des Ryukyus avec une possible nucléation à la base d'une faille hors-séquence.Ensuite, à l'échelle de la dizaine d'années, l'amélioration de la méthode de localisation absolue du MAXimum d'Intersection EDT (MAXI, EDT: Equal Differential Time) permet de mieux extraire les temps d'arrivées erronés et empêche les "trade-off" entre profondeur et temps d'origine et, entre profondeur et position épicentrale lorsque la couverture azimutale est faible (gap azimutal > 180°). Des tests synthétiques montrent l'efficacité de MAXI (en utilisant les ondes P uniquement) à déterminer les paramètres x, y et z même lorsque le gap azimutal est important. Dans ce dernier cas, la qualité des résultats reste dépendant du modèle de vitesse à représenter la structure 3D de la Terre. Nous proposons une démarche associant l'utilisation d'un modèle de vitesse des ondes P 3D a priori avec la méthode MAXI pour localiser les séismes qui sont latéraux et éloignés du réseau. Une application au cas de Taïwan et en Équateur valide cette approche.Enfin, à l'échelle de quelques mois, la campagne de géophysique marine RATS (Ryukyu Arc: Tectonics and Seismology) a été menée en deux temps. Une expérience de sismologie passive de juillet à octobre 2008 (RATS1) a été menée au-dessus de l'avant-arc des Ryukyus puis une expérience de sismique active (réfraction et réflexion) a été menée en mai 2009 sur une ligne NNE-SSW à travers la marge des Ryukyus. Ces deux expériences combinées permettent d'améliorer notre connaissance de la structure crustale de la marge. Au niveau de l'avant-arc, le socle de l'avant-arc est caractérisé par une extrémité formant un butoir vertical et une base très déformée certainement associée à une importante déformation hors-séquence. En profondeur, la plaque plongeante est certainement affectée par une déchirure qui contrôle la sismicité dans cette région de transition entre la subduction et la collision. / The purpose of this work is to specify the deformation offshore East of Taiwan by characterizing major active faults in particular at the level of the Ryukyu forearc. The major problem associated with the study of this region is that earthquakes are located outside the permanent networks. Consequently, this led to some unprecise earthquake locations limiting tectonic and statistical analyses, and therefore the correct estimation of the seismic hazard. This work is included in the project ANR ACTS (Active Tectonics and Seismic Hazard in Taiwan).To achieve this goal, we worked on three different timescales for which a different localization method has been proposed to obtain a clear image of seismic deformation and highlight major faults offhore East of Taiwan.First, at the scale of the century (from the analysis of a seismicity catalogue with homogeneous magnitude), the instrumental historical earthquakes (1897-2007) show that the Ryukyu margin was affected by 6 earthquakes of magnitude greater than 7 with 4 of them for which the responsible fault is unknown. We propose a method of relative location to relocate the historic events from the time difference of P and S arrival times (t(S)-t(P)) at each station. The location is obtained by searching for similar earthquakes in the recent instrumental catalogue (1991-2008) for which t(S)-t(P) at each station is close. This method has been applied to the largest (in terms of magnitude) earthquake ever recorded in Taiwan, the earthquake of June 5, 1920 (M7.7 ± 0.2). Certainly, this earthquake broke the interplate of the Ryukyu subduction with a possible nucleation at the downdip limit of a splay-fault.Then, at the scale of the decade, the improvement of the method of absolute location based on MAXimum of Intersection of EDT (MAXI, EDT: Equal Differential Time) allows to better extract the erroneous arrival times and prevents the "trade-off" between depth and origin time, and between depth and epicentral position when the azimuthal coverage is low (gap Azimuthal > 180 °). Synthetic tests show the effectiveness of MAXI (using P-wave only) to determine the parameters x, y and z even when the azimuthal gap is important. In the latter case, the quality of the results is dependent on the velocity model to represent the 3D structure of the Earth. We propose an approach involving the use of a 3D a priori with the MAXI method P-wave velocity model to locate earthquakes which are lateral and remote to the seismic network. An application to the case of Taiwan and Ecuador validates this approach.Finally, at the level of a few months, the marine geophysical campaign RATS (Ryukyu Arc: Tectonics and Seismology) was conducted in two stages. A passive seismology experiment from July to October, 2008 (RATS1) has been conducted over the forearc of the Ryukyus and then active seismic experiment (refraction and reflection) was conducted in May 2009 in a NNE - SSW line through the Ryukyu margin. These two combined experiments allow improving our knowledge about the crustal structure of the margin. At the level of the forearc, the basement of the forearc is characterized by vertical backstop and a very deformed basis certainly associated with a significant out of sequence deformation. In depth, the downgoing plate is certainly affected by a tear that controls the seismicity in the region of transition between the subduction and collision.

The two largest earthquakes ever recorded, the 1964 M[subscript w] 9.2 Alaskan and 1960 M[subscript w] 9.5 Chilean, occurred on seismogenic plate interfaces at subduction zones. It has been theorized that the catastrophic failure of a locked zone along the contact between the downgoing slab and the upper plate causes these earthquakes, although determinations of the position, attitude and extent of this locked zone vary from model to model. Four methods used to constrain the positions of the locked zones are: (1) historical great earthquake rupture extents, (2) heat flow/thermal profiles along the seismogenic plate interface, (3) patterns of surface deformation across the subduction zone forearc, and (4) spatial patterns of upper plate seismicity. Secondary parameters, such as subducted sediment thickness, upper plate lithology, and dip angle of the subducting slab likely play a role in locked zone location as well. In addition to a locked zone, the upper plate of most subduction zones is marked by paired inner and outer forearc highs and basins between the deformation front (trench) and the volcanic arc. Although such surface morphological features are easy to recognize, their spatial and geometric relationships to the locked zone have not been investigated systematically. This thesis investigates correlation between the spatial position of these morpho-tectonic features and the underlying locked zone at the Aleutian, Alaskan, Cascadia, Costa Rican, Javanese, Sumatran, Nankai, and Southern Chilean subduction zones. For all subduction zones other than Cascadia, which has yet to experience a great earthquake in historical times, the applied means of determining the position of the locked zones place them on plate interface regions between the inner and outer forearc highs. A strong correlation exists between dip of the downgoing plate and the width of both the locked zone and the spacing of the forearc morphologic elements for each of the subduction zones examined. The concept of comparative subductology is updated and enhanced in this study by creating GIS databases incorporating geological, seismological, geodetic, and geophysical observations. Correlations between surface morphological features and geologic and geophysical observations provide insight into controls on the position of the locked zone responsible for great earthquakes within the eight subduction zones examined, indicating that forearc morphology and interplate coupling are related via basic subduction parameters and the structural-tectonic regime of the forearc region. / Graduation date: 2004

Reproduction de : Thèse de doctorat : Science de la Terre : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 261-284.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de la Terre : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. 69 réf. bibliogr.

Th.--Sci.--Montpellier 2, 1986. / Bibliogr. p. 67-71 et 195-206. Textes et résumés en français et en anglais.

Thesis (M.S.)--Oregon State University, 2004. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references (leaves 82-104). Also available via the World Wide Web.

Th. doct.--Rennes 1, 1997. / Textes en français ou en anglais. Notes bibliogr.