Résumé en français indisponible. / Mechanisms of volatile transfer from subducting slab to the melting region beneath arc volcanoes are probably the least understood process of arc magma genesis. Fluorine, which suffers minimum degassing in arc primitive melt inclusions, retains the information about the role of volatiles during magma genesis at depth. Experimentally determined solubility of F in aqueous fluid, and partition coefficients of F between fluid and minerals provide first order geochemical constraints about the volatile-transporting agent.My thesis experimentally determined F solubility in fluid and its partition coefficients among several phases. The systems are in equilibrium with hornblende and a humite group mineral (some contain melt or pyroxene) at 1 – 2 GPa, from 770 to 1047 °C, or equilibrium with hydrogrossular, pyroxene and norbergite or chondrodite at 2.5 – 3 GPa and 877 °C. The experiments were conducted with piston cylinder and cold sealing technique. The oxygen fugacity conditions were controlled by NNO buffer, while some were unbuffered. The fluids were extracted into volumetric flasks, and their compositions were determined by mass balance calculations. Moreover, the consistency was verified by HPLC for fluorine ion, and ICP-MS or ICP-AES for major cations of the quenched fluids.In 1 GPa experiments, the quench phases are so rare that the majority of the fluid compositions from direct analyses are consistent with mass balance results in their uncertainties. Moreover, my mass balance procedure takes into account all the measurements errors, which leads to large uncertainties on fluid compositions. The consistency demonstrates that most of fluorine aflter annealing in the capsule is present as fluorine ion. Futhermore, increases of the masses of starting materials, fluid proportions and analytical precisions will improve the uncertainties performances. ������������ can be represented by a single value 0.135 ± 0.036, which is independent of temperature, bulk composition and buffer conditions at 1 GPa. Df between fluid and humite group minerals is much less. Xf of hornblende and norbergite decrease from 1 to 2 GPa, while F partitionig between them doesn't change much. It indicates that F partitioning between fluid and minerals increases. Moreover, F concentrations in norbergite between NNO buffered and unbuffered experiments are significantly different. Meanwhile, Fe concentration variations of norbergite indicate that unbeffered experiments have higher oxygen fugacity than the NNO buffered ones. According to high temperature improves the free radical exchange reactions, H2O + 0.5O2 ⇄ 2OH. It indicates that both water fugacity and oxygen fugacity contribute to OH fugacity in fluid. I developed a simple model in which XF in humite group minerals are correlated to the ratio between F and OH. It is sucessfully applied to estimate the F concentration in the fluid, which co-exists with clinohumite, using Xf value.With the knowledge of my study, a new constraint can be framed on slab flux. The average F concentration in the fluid is 2700 ppm for F-rich experiments and it constrains the maximum amount of F carried by fluid in the presence of amphibole. Using partition coefficient of F to estimate F abundance in subducting slab, one can conclude that the increase of F concentration in the subarc mantle by fluid, in equilibrium with hornblende, to be less tan 5 ppm. Significant F enrichments found in arc lavas cannot be derived from aqueous fluid of subductiong slab in the presence of amphibole. Therefore, this result highlights the role either 1) slab melt, 2) fluid in equilibrium with eclogite, or perhaps 3) supercritical fluid for the element transfer from slab to mantle wedge.

La zone de subduction Hellénique, en Méditerranée orientale, est caractérisée par le taux de sismicité le plus important d’Europe. Des séismes de forte magnitude (Mw 7,5-8) ont eu lieu le long du segment Sud-Ouest de la zone de subduction Hellénique, au large du Péloponnèse, au cours du 19ème et 20ème siècle. Ce segment de 400 km de long a également été le lieu de nucléation du plus important séisme d’Europe, en 365 ap J.C, avec une magnitude supérieure à 8, ayant entraîné un tsunami dévastateur. Deux principaux modèles scientifiques s’opposent sur la question du couplage sismique de l’interface de subduction, allant d’un couplage sismique total au niveau de l’interface, à l’hypothèse opposée d’un couplage quasi inexistant. Cependant, ces modèles opposés considèrent des géométries approximatives et parfois extrêmes, fautes de contraintes disponibles sur la structure et la géométrie de l’interplaque sous l’avant-arc dans cette zone. La localisation de la faille responsable du séisme de 365 ap J.C est également débattue, en l’absence de données géophysiques permettant d’identifier les interfaces potentiellement responsables de cet événement dévastateur. La faille de méga-chevauchement et le domaine avant-arc du segment Sud-Ouest de l’arc Hellénique ont été l’objet d’étude de la campagne océanographique Ulysse en Novembre 2012 afin de déterminer la géométrie des structures et unités majeures dans cette portion de la zone de subduction, mais également d’apporter un éclairage sur la tectonique récente qui affecte cette zone / The Hellenic subduction zone, in the eastern part of the Mediterranean sea, is characterized by the highest rate of current seismicity in Europe. In the southwestern segment, several earthquakes of large magnitude (Mw 7,5-8) occured a the turn of the 19th to 20th century. This segment of 400 km long, has also been the nucleation site of the largest historical earthquake in Europe, named the 365 AD earthquake, with a magnitude of Mw 8. This event generates a devastating tsunami, which spread along the Adriactic Sea and in the Nile Delta region. Two main models differ about the interplate seismic coupling question in this region, from a total seismic coupling at the interplate, at the opposite assumption of a very weak seismic coupling. However, these opposing models consider an approximate geometry, mostly because of the lack of information available on the geometry and the localization of the interplate in this region of the forearc domain. The localization of the fault responsible of the 365 AD event is also debated, because, there is no available data who provides imagery of the interfaces potentially responsible of this devastating earthquake. The megathrust fault and the forearc domain of the southwestern segment of the Hellenic subduction zone has been the target of the Ulysse marine survey in November 2012. The aim of this survey was to provide information of the structural geometry of the main units in this part of the subduction zone, and to bring information on the recent tectonic activity in this region

Les rides de Barracuda et de Tiburon sont deux reliefs sous-marins situés dans la partie ouest de l'océan Atlantique, là où la lithosphère océanique des plaques Amérique du Nord (NAM) et Amérique du Sud (SAM) est entraînée par subduction sous la plaque Caraïbe, formant l'arc volcanique des Petites Antilles et le prisme d’accrétion de Barbade. Le processus et la période de soulèvement conduisant au relief actuel de ces rides (qui semblent être un marqueur important dans l'histoire géodynamique de la région) sont sujets à débat depuis des décennies.L’interprétation de nouvelles données de sismique réflexion et de bathymétrie multifaisceaux acquises à travers les rides de Barracuda et de Tiburon (campagne Antiplac, 2007 ) a permis de dater les périodes de soulèvements des rides et réaliser des reconstructions paléogéographiques incluant les flux sédimentaires majeurs, depuis le Crétacé jusqu’ à l’Actuel.L’analyse structurale révèle des phases de réactivations tardives d’anciennes zones de fractures dans un contexte transpressif, conduisant aux surrections des rides de Tiburon et de Barracuda.Les processus géologiques possibles impliqués dans la formation des rides de Barracuda et de Tiburon coïncident avec les modèles cinématiques récents décrivant les mouvements relatifs entre les plaques NAM et SAM, le long de la limite de plaque diffuse.Ces résultats permettent de mieux définir la limite de plaque entre NAM et SAM. Elle est nécessairement hétérogène exploitant les zones de faiblesses dans la lithosphère que sont les zones de fracture. Au sein de cette limite de plaque la lithosphère serait donc fragmentée. / The Barracuda Ridge and the Tiburon Rise, two oceanic-basement ridges, lie in the western Atlantic Ocean, where oceanic lithosphere of the North American (NAM) and South American (SAM) plates is subducted beneath the Caribbean plate, creating the Lesser Antilles volcanic arc and the Barbados Ridge accretionary complex. The process and the timing of the uplift leading to the present day morphologies of the Tiburon and Barracuda ridges, that seem to be key markers in the geodynamic history of the region, has remained a matter of debate for decades.From the analysis of new multibeam and seismic reflection profiles acquired in 2007 (Antiplac crusie) DSDP-ODP boreholes available, we provide new information on the timing of the formation of the Barracuda Ridge and Tiburon Rise in their present-day configurations. We propose paleogeographic reconstructions with the main sediments fluxes deposited in the area of the Barracuda and Tiburon ridges from the Late Cretaceous to present. Structural analysis shows reactivation of fracture zones in a transpressive setting leading to the uplifts of the Barracuda and Tiburon Ridges.The location of the Barracuda Ridge and the Tiburon Rise and the timing of the uplift fit well with recent global plate kinematic models describing the movements of NAM relative to SAM along a diffuse plate boundaryThis NAM-SAM plate boundary zone, therefore must most certainly be heterogeneous in nature, exploiting weaknesses in the lithosphere provided by fracture zones where mechanically advantageous, but forming new boundary segments elsewhere, to transfer motion between reactivated segments of the fracture zones.

La plupart des gisements de Ni-Cu sont issus de magmas komatiitique ou tholéiitique associés à des panaches mantelliques. Leur genèse fait intervenir l’exsolution d’un liquide sulfuré immiscible, l’interaction entre les liquides silicaté et sulfuré afin de concentrer ce-dernier en éléments chalcophiles, et l’accumulation du liquide sulfuré en quantités économiques. La saturation en sulfure est généralement atteinte en réduisant la solubilité des sulfures. Celle-ci se fait par assimilation de roches encaissantes siliceuses et/ou sulfurés.Le dyke d’Älgliden de la ceinture de Skellefte, en Suède, contient des sulfures de Cu et Ni dont les quantités ne sont actuellement pas économiques. La minéralisation d’Älgliden est atypique dans la mesure où elle contient d’importantes teneurs en Au, elle a un faible rapport Ni/Cu et enfin est formé dans un contexte de subduction. Le dyke recoupe un gisement porphyrique à Cu-Au contenant des sulfures ce qui laisse suggérer que la minéralisation d’Älgliden est formée par assimilation.Les objectifs de ce projet de recherche étaient d’examiner les processus de formation de la minéralisation d’Älgliden et son potentiel minier ainsi que de mieux comprendre la formation des gisements à Ni-Cu en contexte de subduction. Ce travail inclut l’étude pétrologique du minerai et de ses roches hôtes, la détermination de compositions minérales, l’analyse des éléments majeurs et traces sur roche totale et enfin des analyses des isotopes du soufre. Ce projet a été financé par la compagnie Boliden qui détient le gisement d’Älgliden.Le dyke est composé en majeure partie de norite à olivines, et minoritairement de leucogabbros. Les compositions sur roches totales, les textures magmatiques et les compositions minérales suggèrent que les norites à olivine se sont formées par accumulation d’olivine tandis que les leucogabbros représentent des liquides résiduels avec ou sans cristaux cumulus de plagioclase ± orthopyroxene. Les norites sont interprétées comme étant formées par une ou deux injections de bouillie cristalline suivie de cristallisation fractionnée. Le magma parent des roches d’Älgliden était un basalte hydraté et évolué dont la teneur en MgO est estimé à 6%.Le minerai sulfuré est principalement disséminé à travers l’ensemble de l’intrusion d’Älgliden. Quelques concentrations modérées de minerai se présentent sous la forme de sulfures en réseaux, de veines de sulfures et de sulfures massifs, lesquelles sont spatialement associées aux leucogabbros et aux xénolites de l’encaissant. L’association entre les leucogabbros et les concentrations en sulfures, leur faible teneur en métaux et leur faible rapport Ni/Cu suggèrent que la phase sulfuré s’est exsolvée tardivement au cours de la différentiation magmatique. Ce timing semble défavorable pour la minéralisation d’Älgliden puisqu’il inhibe à la fois l’interaction entre les liquides silicaté et sulfuré et l’accumulation du liquide sulfuré.La contamination du magma d’Älgliden par son encaissant n’est pas corroboré par les concentrations en élément trace et les compositions isotopiques du soufre. En revanche, ces données indiquent que le magma d’Älgliden s’est mis en place dans une zone de subduction où l’on pense que la saturation en sulfure a été atteinte par réduction d’un magma oxydé et riche en élément volatiles, via la cristallisation de magnétite et/ou dégazage. Les valeurs positives de δ34S suggèrent que l’apport de matériel dérivé du slab est responsable du caractère oxydé du magma d’Älgliden.L’état d’oxydation des magmas d’arc leur permet de dissoudre de grandes quantités de S et d’Au. Leur caractère évolué est responsable de leur fortes concentrations relatives en Au et leur faible rapport Ni/Cu. Ainsi, en contexte subduction les sulfures magmatiques sont susceptibles d’avoir ces caractéristiques, et si l’exsolution du liquide sulfuré a lieu plus tôt que dans le cas d’Älgliden cela pourrait conduire à la formation de gisements économiques. / Most major sulfide Ni-Cu deposits originated from komatiitic or tholeiitic magmas that formed in association with mantle plumes. Their genesis involves the segregation of a immiscible sulfide liquid, reaction of the sulfide liquid with silicate melt to upgrade the sulfide in chalcophile elements, and the concentration of the sulfide liquid in economic amounts. Saturation in sulfide is commonly achieved by lowering the sulfide solubility via assimilation of siliceous wall rock or by increasing the S content by adding S-bearing materials.The Älgliden dike in the Skellefte Belt in Sweden contains currently uneconomic Ni-Cu sulfide mineralization. The Älgliden mineralization is atypical insofar as it contains a significant amount of Au, has a low Ni/Cu ratio and formed in a subduction-related geodynamic setting. The host intrusion intrudes sulfide-bearing Cu-Au porphyry mineralization which led to the suggestion that the Älgliden Ni-Cu-Au mineralization was linked to the assimilation of sulfide-bearing wall rocks.The goals of this research project were to investigate the ore forming processes of the Älgliden mineralization and its ore potential, as well as to improve our understanding of the genesis of Ni-Cu deposits in subduction zones. The work is based on a petrological study of the ore and its host rocks, determination of mineral compositions, analyses of major and trace elements in bulk rocks, and sulfur isotope analyses. This was supported by the Boliden company which owns the deposit.The dike is composed mainly of olivine norites with minor leucogabbros. Bulk rock compositions, magmatic textures and mineral compositions suggest that the olivine norites formed by accumulation of olivine and that the leucogabbros represent residual melts with or without cumulus plagioclase ± orthopyroxene. The norites are interpreted to form by one or two injections of an olivine-rich crystal mush and subsequent fractional crystallization. The parental melt of the Älgliden rocks was a hydrous and evolved basalt estimated to contain ≈6 wt.% MgO.The sulfide ore is mainly disseminated throughout the whole Älgliden intrusion. Some weak ore concentrations occur as network to vein and massive sulfides that are spatially associated with the leucogabbros and wallrock xenoliths. The association between the leucogabbros and the concentrations of sulfide, their low ore grade and Ni/Cu ratio suggest that the sulfide segregated late in the differentiation process. This timing appears unfavorable for the Älgliden mineralization because it inhibited both sulfide-silicate liquid interaction and the accumulation of sulfide.Contamination of the Älgliden magma by its wall rocks is not supported by trace element data and S isotope compositions. Instead these data indicate that the Älgliden magma was emplaced above a subduction zone where the sulfide saturation is thought to occur by reduction of the oxidized and volatile-rich magma by magnetite fractionation and/or by degassing. Positive δ34S values suggest addition of slab-derived material which is thought to be responsible for the oxidized character of the Älgliden magma.The oxidation state of arc magmas allows them to carry large amounts of S and Au. Their evolved character is also responsible for their relatively high Au contents and low Ni/Cu. Such characteristics are likely to occur in magmatic sulfide mineralization in subduction zone settings, and if sulfide liquid segregation had occurred earlier than at Älgliden the process may have produced economic sulfide deposits.

L’évolution des assemblages pétrologiques avec l’augmentation de pression et de température est couramment perçue à l’équilibre et figée dans le temps. Le développement des sources synchrotron de rayons X permet à présent de mesurer in situ et en temps résolu les vitesses de transformations minéralogiques à haute pression (HP), haute température (HT). Cette thèse présente l’utilisation de cette technologie dans 2 contextes géologiques. (i) Le potentiel sismogène de la déstabilisation des minéraux hydratés dans les plaques en subduction est vérifié. Les cinétiques de déshydratation du talc, de la phase à 10Å et de l’antigorite ont été mesurées à HP-HT en système clos. Nous avons identifié que l’antigorite se déshydrate en passant par un stade intermédiaire. Toutes les vitesses de libération de fluides associées sont plus rapides que la déformation visqueuse des roches et sont donc compatibles avec le déclenchement de rupture. (ii) Les cinétiques de transition olivine-ringwoodite ont été déterminées dans la loupe de costabilité pour des compositions riches en Fe. Elles mettent en évidence une amorphisation partielle de l'olivine en début de transformation. Cela pourrait perturber de manière significative la vitesse des ondes sismiques lors de leur passage au niveau de la zone de transition mantellique. Par ailleurs, les temps caractéristiques de réaction et la réduction conséquente de la taille des grains, indiquent qu’une telle transition de phase induit une atténuation sismique importante. Ces résultats expérimentaux in situ HP-HT révèlent des mécanismes originaux de transition de phase et contribuent ainsi à une meilleure compréhension des modèles géodynamiques / The evolution of petrological assemblies with increasing pressure and temperature is commonly perceived at equilibrium and fixed within time. The development of X-ray synchrotron sources now enable to measure in situ, time-resolved rates of mineralogical transformations at high pressure (HP), high temperature (HT). This thesis presents the application of this technology in two geological settings. (i) The seismogenic ability of breakdown of hydrated minerals within the subducting slab is checked. The dehydration kinetics of talc, 10Å phase and antigorite were measured at HP-HT in a closed system. We have found that antigorite dehydrates through an intermediate stage. All associated rates of released fluids are faster than the viscous deformation of rocks and are therefore compatible with the trigger of rupture. (ii) The kinetics of olivineringwoodite transition were determined within the co-stability loop for Fe-rich compositions. They show a partial amorphization of olivine at the beginning of the transformation. This could significantly affect the velocities of seismic waves when crossing the mantle transition zone. Moreover, the characteristic times of this reaction and the substantial reduction in grain size, indicate that such a phase transition may induce a significant seismic attenuation. These in situ HP-HT experimental results reveal novel mechanisms of phase transition and thus contribute to a better understanding of geodynamic models

Mon travail de thèse se propose d'étudier la structure, les propriétés physiques et les processus géodynamiques de la zone de subduction d'Equateur-Colombie grâce à l'adaptation et le développement d'outils d'imagerie sismique (inversion de formes d'ondes 'alias' tomographie en diffraction) et à leur application aux données de sismique marine multitrace (MCS) et grand-angle OBS (WA) acquises en Equateur-Colombie pendant les campagnes SISTEUR et SALIERI. Ces outils m'ont permis de réaliser une imagerie fine et quantitative à trois niveaux : l'imagerie superficielle (~ 0-3 km), l'imagerie à profondeur intermédiaire (~ 3-10 km) et l'imagerie profonde (~ 10-30 km). Dans le domaine superficiel, j'ai effectué une cartographie fine et quantitative des propriétés physiques des sédiments au voisinage du BSR (Bottom Simulating Reflector), interpreté comme la base de stabilité des hydrates de gaz. Sur le profil SIS-40 situé sur la marge sud de la Colombie, j'ai pu identifier la présence de failles qui perturbent localement le BSR. Les résultats présentés sous la forme d' une série de logs adjacents de l'image migrée en profondeur, montrent que certaines régions du BSR sont caractérisées par une augmentation de la vitesse (1470-1650 m/s), indiquant la présence d'une faible quantité d'hydrates de gaz au dessus du BSR; d'autres zones situées immédiatement sous le BSR sont caractérisées par une diminution de la vitesse (~1200 m/s), liée à la présence de gaz libres piégés sous la couche d'hydrate de gaz. A des profondeurs moyennes j'ai étudié la structure du chenal de subduction (profil SIS-72). Le chenal constitue la limite mécanique entre la plaque chevauchante et la plaque plongeante. Il est délimité à son toit par un fort réflecteur interprété comme le décollement interplaque et à sa base par le toit très réflectif de la croûte océanique en subduction. L'imagerie fine et quantitative des propriétés physiques du décollement interplaque permet de mieux comprendre le rôle de la circulation des fluides et des variations lithologiques et physiques, sur le couplage mécanique inter-plaque. En raison de la sensibilité de la méthode de tomographie en diffraction au macro-modèle de vitesse, un code de correction de ce modèle a été implémenté, afin d'obtenir des images tomographiques fiables (i.e. géométrie et amplitudes correctes). Du fait de la bande passante limitée de la source et de la longueur du dispositif d'acquisition limitée à 4.5 km, les images tomographiques ont une résolution spatiale limitée : l'image tomographique présente un déficit des petits et grands nombre d'onde (fréquences spatiales) limitant ainsi l' interprétation géologique des paramètres physiques cartographiés. Un traitement spécifique basé sur la modélisation des traces sismiques a été implémenté. L'image tomographique, traitée comme une série de traces verticales, constitue la donnée observée. L'espace des modèles est constitué par un ensemble de modèles impulsionnels et unidimensionnels de Terre construits aléatoirement. Ces modèles sont dégradés par convolution avec une estimation de l'ondelette source afin de fournir une représentation synthétique de l'image tomographique « observée ». La minimisation de la fonction coût entre les traces migrées et les traces synthétiques est effectuée dans le cadre d'une inversion globale par recuit simulé (VFSA= « Very Fast Simulated Annealing »). Le modèle moyen issu de cette procédure fournit un modèle 2D fin de vitesse, fonction de la profondeur et comparable à la limite de la résolution théorique de la source. A l'issue de ce traitement, des perturbations de vitesse positives sont mises en évidence au toit de la croûte, et d'autres négatives accompagnent certains segments du niveau du décollement. Ces dernières sont probablement associées à la présence de fluides. Le domaine plus profond a été étudié à partir des données MCS et WA dans le double but (1) d'améliorer la résolution spatiale des images sismiques du Moho et du contact interplaque en relation avec la zone sismogène, et (2) de détecter la présence d'anomalies crustales de vitesse et d'analyser leur relation avec les zones d'aspérité sismologiques. L'utilisation conjointe des données de sismique MCS et WA a été mise en oeuvre pour prolonger vers le bas les images de sismique verticale et tenter ainsi d'établir une relation entre les processus profonds et les manifestations en surface. L'application de la chaîne de traitement au profil SIS-44 a permis d'obtenir un modèle de vitesse bien contraint jusqu'à 25 km de profondeur. Ce modèle met en évidence des réflecteurs profonds (Moho et contact interplaque ) et des réflecteurs plus superficiels (splay fault), dont l'interprétation était initialement incertaine sur les images migrées en temps.