Nous avons utilisé les données gravimétriques de Mars Global Surveyor pour étudier la ligne de rivage martienne Deuteronilus. Les variations du potentiel de pesanteur le long de ce contact et l'estimation des limites géographiques de celui-ci permettent de mettre en évidence la déformation de la planète au Noachien supérieur et de déterminer les caractéristiques de l'océan martien primordial. L'hypsométrie de la topographie de Mars traduit des phénomènes qui, sur Terre, sont associés à des processus d'isostasie thermique et qui, ici, correspondent à la région qui a abrité cet océan.<br />La seconde partie de ce travail traite de la dynamique interne des planètes telluriques et de son lien avec les observables géophysiques. En l'absence de données sismologiques, la mesure du champ de gravité d'une planète et de son relief fournit une contrainte de premier ordre sur la nature de la structure interne. Nous proposons donc le calcul systématique du géoïde et de la topographie dynamique associés à des modèles numériques 3D sphériques de la dynamique interne (convection thermique pour un fluide à viscosité variable). Une méthode spectrale de calcul est proposée dans un cadre adimensionné. L'analyse spectrale<br />de modèles synthétiques de structure interne permet d'évaluer le rôle de certains paramètres clés de la dynamique interne (variations de viscosité, chauffage interne).

En défléchissant la Terre, la topographie dynamique module l'extension des zones inondées dans les régions où l'altitude est proche du niveau marin. Ce phénomène contribue ainsi à modifier la paléogéographie à grande échelle et ont un impact sur les sphères externes (atmo-, hydro- et bio-sphère) en altérant notamment les circulations atmosphériques et océaniques. Ces travaux de thèse, qui s’appuient sur une approche interdisciplinaire, illustrent la chaîne de connections entre dynamique mantellique et climat à travers l'étude de l'évolution Quaternaire du Continent Maritime. Le caractère insulaire de la région et la présence de mers peu profondes comme la mer de Java, permettent des modifications rapides de la répartition terre-océan à grande échelle, et en font un cas idéal pour étudier les connections entre géodynamique et climat. D’autre part, la dynamique mantellique, excitée par les nombreuses subductions, y est très active et contribue à déformer la surface et la dynamique climatique régionale est étroitement associée à la géographie particulière de l’archipel Indonésien.Les changements paléogéographiques sont d'abord révélés par la cartographie des morphologies côtières. Celle-ci souligne la répartition contrastée de la déformation Quaternaire en soulignant le soulèvement général de la région centrale (Wallacea), alors que les deux plateformes continentales localisées à l'Ouest et au Sud-Est subsident. L'utilisation combinée des observations et de la modélisation de la croissance des récifs coralliens est utilisée afin de quantifier la vitesse verticale de déformation. Notre méthode est basée sur la comparaison entre la morphologie des récifs observés sur la plateforme de la Sonde, à l'ouest de l'Asie du Sud-Est, et les morphologies récifales issues des simulations numériques et permet une quantification inédite de la vitesse de subsidence de la plateforme. Les résultats suggèrent que la Sonde était émergée de manière permanente avant 400 000 ans, formant une masse continentale entre les îles de l'Ouest Indonésien et le continent asiatique. Les causes de ces changements paléogéographiques sont appréhendées à l'aide de la modélisation mécanique de la géodynamique. Un modèle numérique en trois dimensions d'une zone de subduction a été utilisé afin de d'explorer les causes dynamiques de la déformation. L'analyse des simulations permet de décrire l'évolution spatio-temporelle de la déformation à l'aplomb d'une zone de subduction, lors d'une perturbation provoquée par l'arrivée dans la fosse d'un bloc continental ou d'un plateau océanique, un cas simplifié similaire à l'Asie du Sud-Est. Les résultats montrent que lors d'un épisode de collision, l'initiation d'une déchirure dans la plaque en subduction générée par l'entrée dans la fosse de matériel peu dense entraîne une modification de l'écoulement mantellique. Cette modification provoque un épisode de subsidence dynamique qui fait suite à un épisode de surrection provoquée par la collision. Les vitesses de déformations calculées ont un ordre de grandeur comparable aux vitesses de déformations enregistrées et modélisées à l'échelle régionale. Les conséquences des changements paléogéographiques sont appréhendées à l'aide d'un modèle du climat IPSL-CM5A2. Les résultats montrent que la présence d'une plateforme de la Sonde émergée provoque une augmentation saisonnière des précipitations sur le Continent Maritime. Cette augmentation est engendrée par une intensification de la convergence à l'échelle régionale contrôlée par le chauffage radiatif des surfaces continentales exposées. L'exposition de la plateforme de la Sonde engendre également une modification du transport dans le détroit de Makassar avec un impact local sur la salinité et les températures de surface de l'océan. Nos analyses montrent par ailleurs que l'augmentation de la saisonnalité des précipitations est indépendante de la paramétrisation de la convection et des nuages dans le modèle. / Dynamic topography modulates the extension of inundated areas, at places where elevation is near sea level, by deflecting the surface of the Earth. This phenomenon produces large-scale paleogeography changes, which in turn modify external spheres (atmo-, hydro- and biosphere) by subsequent alteration of atmospheric and oceanic circulations and biodiversity. This inter-disciplinary work illustrates the connection string between Earth mantle dynamics and climate through the study of Quaternary evolution of South East Asia. The insularity of the region and the presence of low bathymetry seas, as the Java sea, enable fast and efficient modifications of land-sea mask and make it an ideal case for studying the connection between geodynamics and climate. Mantle flow, excited by the numerous subduction zones, is vigorously stirred and contributes to surface deformation. In this region, climate dynamics is also tightly related to the peculiar geography of the Indonesian archipelago. Paleogeographic changes are first revealed by coastal morphologies. They show the contrasted pattern of large-scale Quaternary deformation that underlines general uplift within the central-eastern part of the region, namely Wallacea, whereas the continental shelves, to the West and Southeast, are more likely subsiding. The combination of field observations with numerical modeling of coral reef growth is used to quantify vertical deformation. Our method is based on reef morphology (terrace number, depth, modern reef length) that we observed on the Sunda shelf (Western South East Asia) and reef morphologies obtained by numerical modeling, and enable an original quantification of subsidence rates of the platform. The results imply that Sundaland region was entirely and permanently emerged before 400 000 yr and formed at this time a unique continental mass between West Indonesian islands and continental Asia. The causes of paleogeographic changes are explored using modeling of regional geodynamics. A three-dimension subduction numerical model was devised to simulate the dynamical origin of deformation. This model analysis enables us to describe the spatio-temporal evolution of the deformation above a subduction zone in case of perturbation induced by the arrival at the trench of a continental block or oceanic plateau, a simplified case that is similar to SE Asia. Our results show that during a collisional episode, slab tearing generated by the arrival of light material unable to subduct is responsible for changes in mantle convection. Those changes are responsible for dynamic subsidence that followed an uplift event related to the first stages of collision. Inferred deformation rates have an range of magnitude similar to both measured and modeled rates at regional scale. The consequences of paleogeographic changes are studied using general circulation model simulations. Results show that the presence of an emerged Sunda shelf leads to a seasonal increase in precipitation over the Maritime Continent. This increase is related to seasonal increase in large-scale convergence induced by thermal heating of exposed land surfaces, a situation that, as we show, occurred before 400 ka. Sunda shelf exposure is also responsible for changes in horizontal water transport within the Makassar strait that modify sea surface salinities and temperatures at local scale. Our analysis further shows that increased precipitation seasonality is independent on model convection and cloud parameterization

L'étude géomorphologique et thermochronologique menée en Patagonie centrale montre l'influence de la subduction de la dorsale du Chili sur la dynamique de surface. Depuis 14 Ma, la migration vers le nord du point triple entre plaques Nazca, Antarctique et Amérique du Sud s'accompagne d'un soulèvement de grande longueur d'onde. Celui-ci affecte les Andes de Patagonie, où les âges (U-Th)/He sur apatite sont plus jeunes au sud du point triple (~7-5 Ma) qu'au nord, mais aussi le bassin à l'est de la chaîne, où les terrasses mises en place depuis le Miocène moyen ont subi des basculements N-S de ~0,1-0,2%. Ces valeurs correspondent à celles prévues par des calculs analytiques de topographie dynamique. Des modèles analogiques du processus de subduction montrent les interactions entre processus profonds et dynamique de surface : nous observons un lien entre changement de pendage du slab et déformation de la plaque supérieure, et étudions les phénomènes liés à l'ouverture d'une fenêtre de slab.

La compétition entre les processus internes et externes contrôle l'évolution des surfaces continentales à l'échelle des temps géologiques. La topographie et le réseau de drainage actuels des Cordillères Bétiques apparaissent comme transitoires (surfaces aplanies sommitales, knickpoints) impliquant que la réponse érosive du système géomorphologique n'a pas encore contrebalancé les dernières étapes de surrection. L'exhumation des zones internes montre un épisode d'aplanissement majeur de la topographie à une altitude proche du niveau marin entre ~ 17 et 8 Ma. Certaines de ces surfaces sont préservées de l'érosion en altitude. Les rivières montrent une incision relativement mature dans les sierras orientales initiée lors de l'inversion tardi-miocène, et une surrection régionale plus récente reliée à de la topographie dynamique. Le raccourcissement post-tortonien dans les zones internes est faible (~ 5 km) tandis que la déchirure E-W de la lithosphère ibérique depuis la fin du Miocène entraîne un soutien mantellique permettant d'expliquer les hautes topographies orientales. A l'ouest, la lithosphère ibérique subit la traction du panneau plongeant impliquant une topographique moyenne plus basse. L'implication de ces processus engendre une forte composante non-isostatique de la topographie. La géométrie de la déchirure de la lithosphère ibérique permet d'expliquer l'instabilité de la ligne de partage des eaux séparant les versants atlantique et méditerranéen. Le rajeunissement du relief bétique et la réorganisation dynamique du réseau de drainage suggère une surrection brève et récente (quelques Ma) rattachée à un fonctionnement discontinu de la déchirure de la lithosphère. / Competing between internal and external processes controls the evolution of continental surfaces at geological time scale. The topography and associated drainage network of the Betics are transient (summit surfaces, knickpoints) implying that the erosional response of the geomorphic system hasn’t counterbalanced the last stages of uplift yet. Exhumation history of the internal zones shows a major planation event near sea level between ~ 18 and 7 Ma. Some of these surfaces are preserved from erosion at the summit of several sierras. Rivers in the eastern sierras show relatively mature incision pattern initiated since the Late Miocene inversion. At the regional scale the drainage network shows a more recent uplift related to dynamic topography. Post-Tortonian shortening in the Internal Zones is low (~5 km) whereas E-W tearing of the Iberian lithosphere since the Late Miocene has led to an important mantle support of the eastern topography. To the west, Iberian lithosphere is pulled by the slab and the mean topography above is deflected. These deep processes are responsible for an important non-isostatic component of the Betics topography. The tear geometry of the lithosphere beneath the Betics can explain the instability of the main divide (Atlantic/Mediterranean). Rejuvenation of the relief and the dynamic reorganization of the rivers suggest a brief and recent uplift (few Ma) related to a discontinuous tearing of the lithosphere.

Constituant la couche limite supérieure de la convection mantellique, la lithosphère terrestre est à l'interface entre les enveloppes externes et internes de notre Planète. Les interactions multiples entre celle-ci et le manteau sont à l'origine de déformations latérales (tectonique des plaques) et verticales (topographie dynamique) de la surface terrestre. Comprendre comment la formation et l'évolution d'instabilités convectives mantelliques renouvellent sans-cesse la surface est donc primordial pour améliorer nos interprétations d'un grand nombre d'observations de surface, telles que la formation de bassins sédimentaires, le mouvement des continents, la localisation des points chauds, la formation d'anomalies gravimétriques ou encore les variations du niveau marin.Cette thèse propose de développer des modèles numériques de convection mantellique générant defaçon auto-organisée de la tectonique des plaques en surface an d'étudier la façon dont le développement et la dynamique d'instabilités convectives telles que les panneaux de subduction ou les panaches mantelliques modifient la surface, dans un contexte de tectonique de surface approchant le régime terrestre.Dans une première partie, je m'intéresse à l'influence du couplage des mouvements de convection mantellique et de tectonique des plaques sur le développement de topographie dynamique (i.e. les mouvements verticaux de la lithosphère induits par la convection mantellique) à différentes échelles spatio-temporelles. Mes résultats suggèrent que la surface terrestre peut se déformer à toutes les échelles spatiales, du fait de mouvements convectifs de grande ampleur faisant intervenir le manteau entier (> 104 km) ou encore de convection à petite échelle sub-lithosphérique (< 500 km). Les variations temporelles de topographie dynamique s‘étendent de cinq à plusieurs centaines de millions d'années selon la nature des processus convectifs dont elles dérivent. En particulier, la dynamique d'initiation ou d'arrêt des zones de subduction contrôle l'existence d'échelles intermédiaires de topographie dynamique (longueurs d'onde variant entre 500 et 104 km). Ces résultats montrent donc que les interactions entre la dynamique de la lithosphère et la convection mantellique génèrent des motifs spatio-temporels de topographie dynamique complexes et cohérents par rapport aux observations terrestres.Dans un deuxième temps, cette thèse se focalise sur la dynamique des panaches mantelliques, et leurs interactions avec la surface. Je caractérise d'abord précisement le comportement des panaches générés dans nos modèles de convection à la lumière d'observations de surface. Puis, j'étudie la façon dont leurs interactions avec la tectonique de surface et les différentes échelles convectives modifient leurs mouvements latéraux. Enfin, la compréhension de la signature thermique des interactions entre panaches et rides océaniques me permet de proposer une reconstitution des mouvements relatifs entre le panache des Açores et la ride médio-Atlantique. / Earth's lithosphere, which is the upper boundary layer of mantle convection, represents the interface between the external and internal envelopes of our Planet. The multiple interactions between the mantle and lithosphere generate lateral (plate tectonics) and vertical (dynamic topography) deformations of Earth's surface. Understanding the influence of the dynamics of mantle convective instabilities on the surface is fundamental to improve our interpretations of a large range of surface observations, such as the formation of sedimentary basins, continental motions, the location of hotspots, the presence of gravity anomalies or sea-level variations.This thesis aims at developing numerical models of whole-mantle convection self-generating plate-like tectonics in order to study the impacts of the development and the dynamics of mantle convective instabilities (such as slabs or mantle plumes) on the continuous reshaping of the surface.First, I focus on the influence of the coupling between mantle convective motions and plate tectonics on the development of dynamic topography (i.e. surface vertical deformations induced by mantle convection) at different spatial and temporal scales. The results suggest that Earth's surface can deform over large spatial scales (> 104 km) induced by whole-mantle convection to small-scales (< 500 km) arising from small-scale sub-lithospheric convection. The temporal variations of dynamic topography range between five and several hundreds of millions of years depending on the convective instabilities from which they originate. In particular, subduction initiation and slab break-off events control the existence of intermediate scales of dynamic topography (between 500 and 104 km). This reflects that the interplay between mantle convection and lithosphere dynamics generates complex spatial and temporal patterns of dynamic topography consistent with constraints for Earth.A second aim of this thesis is to understand the dynamics of mantle plumes and their interactionswith surface. I first characterize in detail the behaviour of mantle plumes arising in models ofwhole-mantle convection self-generating plate-like tectonics, in light of surface observations. Then, I study how the interactions between surface plate tectonics and mantle convection affect plume motions. Finally, I use observations of the thermal signature of plume/ridge interactions to propose a reconstruction of the relative motions between the Azores mantle plume and the Mid-Atlantic Ridge.