Dissertations / Theses on the topic 'Erosion du manteau lithosphérique'

Les zonations minérales sont extrêmement rares dans les assemblages du manteau supérieur lithosphérique. Il s'agit en effet de domaine de haute-température où la diffusion est efficace. Le clinopyroxène, un des constituants essentiels des éclogites, peut cependant montrer des gradients de concentration important des éléments Al-Si-Mg. Ceci a été observé dans un xénolithe d'éclogite issu du pipe kimberlitique de Roberts Victor en Afrique du Sud ainsi que dans un lit de Webstérite à grenat dans des écailles de péridotites alpines (Freychinède Pyrénées française). Dans les deux cas ces hétérogénéités de composition dans le clinopyroxène sont associées à des exsolutions de grenat et reflètent un refroidissement isobare à partir de températures initialement élevées (1400-1300°C). Des expériences de diffusion effectuées en laboratoire sur la paire dioside - molécule de Tschermak ont montré que l'interdiffusion des éléments Al-Si était très lente. Il a fallu en effet mettre en œuvre des techniques de microanalyse nucléaire au pouvoir de résolution spatiale suffisamment fin pour que des profils de diffusion de l'ordre de la centaine d'angstrom puissent être mesurés. Le coefficient obtenu grâce à l'utilisation de la réaction nucléaire résonante 27 Al(p,ϒ,)28Si est le suivant D(cm2/s) = 1. 4 10 -7 exp(64/RT). Il s'agit jusqu'à présent du plus petit coefficient mesuré dans les clinopyroxènes. La lenteur de diffusion de l'aluminium expliquerait donc pourquoi, même à haute température, l'exsolution du grenat impliquant un transfert Al-Si est bloquée en cours d'évolution. Ces données de diffusion étant connues, il est alors possible par l'intermédiaire de modèles, d'accéder aux conditions de refroidissement de la roche hôte à partir de la forme des gradients de concentrations préservés dans le pyroxène. Dans le xénolithe éclogitique comme dans le lit de pyroxénite, il a ainsi été possible de montrer que le refroidissement se faisait au moins en deux étapes : une première rapide de l'ordre de 400°C/My suivie d'une seconde beaucoup plus lente entre 40 et 4°C/My. De telles conditions indiquent que les roches se sont refroidies à partir d'un liquide. La mémoire chimique du manteau supérieur lithosphérique serait ainsi le clinopyroxène alumineux et non le grenat pour les raisons suivantes :-les solutions solides impliquant les espèces tétraédriques dont la diffusion est très lente sont uniquement possibles dans le clinopyroxène. Par conséquent la migration de Al et de Si peut donner lieu à des gradients de concentrations mesurables alors que dans le grenat ces deux espèces ont leur concentration fixée par la stoechiométrie du minéral. -le clinopyroxène dans lequel l'aluminium est à la fois octaédrique et tétraédrique est un minéral ubiquiste qui centralise les transferts d'aluminium. Le grenat au contraire dont l'aluminium est restreint aux sites octaédriques n'est stable qu'à haute pression. Dans l'asthénosphère par contre les travaux expérimentaux ont montré que le pyroxène se dissolvait progressivement dans le grenat au-delà de 100 kbar. Ces mêmes grenats remontés aux profondeurs d'échantillonnage moyen d'une kimberlite (200km) devraient montrer en sens inverse des exsolutions de pyroxènes. Des grenatites remontées par le pipe de Jagersfontain en Afrique du sud montrent de telles figures. Il s'agirait des roches les plus profondes actuellement observables en surface faisant du grenat la mémoire possible de l'asthénosphère.

Cette étude est basée sur la collection la plus complète d'éclogites cratoniques (> 180 nodules), provenant des cratons sibériens et sud-africains.Les éclogites non-métasomatisés de type IIA sont plus magnésiennes, enrichis en LREE, avec des valeurs de δ18O, de 3,7-7,5 ‰, des anomalies positives en Sr et correspondant à une couche à basse pression-température (PT). La composition de la roche totale est un protolithe basaltique. Les éclogites de type IIB sont plus sodiques et alumineux, appauvris en terres rares, avec des valeurs de δ18O de 2,3-3,6 ‰, correspondant à l'équilibre à haute PT. La composition de la roche totale correspond au protolithe pyroxénitique. Les éclogites à coésite, disthène ou corindon ont des clinopyroxènes riches en jadéite, avec des anomalies positives en Eu et Sr et des grenats riches en grossulaire, avec des anomalies positive en Eu et négatives en Sr. Les estimations de PT indiquent que les éclogites à co-ky-cor ont été équilibrées dans la partie la plus basse de la quille cratonique et la composition de la roche totale correspondant à un protolithe gabbroïque très appauvri, cohérente avec la subduction d'une séquence basaltique à websteritique d'une croûte océanique altérée, appauvrie en éléments incompatibles.L'estimation minimum d'eau dans l'omphacite d'Obnazhennaya est de ~930-1410 ppm d'H20 et pour la roche totale de ~310-890 ppm H2O, significativement supérieures aux péridotites environnantes. Ainsi, les éclogites du manteau peuvent être un important réservoir d'eau à la base de la racine cratonique, avec des conséquences majeures pour la longévité de la quille cratonique, la rhéologie du manteau et pour le cycle global de l'eau
This study is based on the most complete existing collection of cratonic eclogites (> 180 nodules), from the Siberian and South African cratons. Non-metasomatized Type IIA eclogites are typically more magnesian, LREE-enriched, with δ18O values of 3.7-7.5 ‰, positive Sr anomalies and corresponding to a low pressure-temperature (PT) layer. The whole-rock composition is consistent with a basaltic protolith. Type IIB eclogites are morsodic and aluminous, LREE-depleted, with δ18O values of 2.3-3.6‰, corresponding to equilibrium at high-PT. The whole-rock trace element composition is consistent with a pyroxenitic protolith. Coesite, kyanite and corundum-bearing eclogites ypically have jadeite-rich clinopyroxenes witlpositive Eu and Sr anomalies and grossular-rich gamets with corresponding positive Eu and negative Sr anomalies. PT-estimates indicate coe-kycor-bearing eclogites equilibrated in the lowermost part of the cratonic keel and reconstructed whole-rock trace element composition corresponds to a very depleted gabbroic protolith. This is consistent with the subduction of a hydrothermally altered, basaltic to websteritic sequence of an incompatible-element-depleted oceanic crust.Calculated water content of omphacite is a minmum estima te of ~930-1410 ppm by weight H2O and reconstructed estimates for whole-rock watercontent ~310-890 ppm HO) for the Obnazhennaya eclogites are significantly higher than those of the surrounding peridotites. Thus, mantle eclogite may be an important water reservoir at the base of the cratonic root, with major consequences for cratonic keel, longevity mantle rheology and global water cvcle

L'altération hydrothermale du manteau lithosphérique dans les dorsales médio-océaniques fournit un mécanisme de transfert de chaleur et de masse entre la terre profonde et l'océan recouvrant. Le manteau lithosphérique est constituée de roches ultramafiques, également appelées péridotites. Ils comprennent plus de 70% d'olivine, de pyroxènes associés et de phases minérales mineures. La percolation de l'eau de mer dans le socle ultramafique produit l'altération de l'olivine et des pyroxènes en serpentine par le processus de serpentinisation et il est associé à des réactions d'oxydation et de carbonatation (lorsque le CO2 est présent dans le fluide). Le processus de serpentinisation présente un intérêt particulier pour la production de H2, le stockage du CO2, le développement de la vie et la production de gisements de minerai économiquement intéressants concentrés dans les fumeroles hydrothermaux. La durabilité et l'efficacité des réactions nécessitent la pénétration et le renouvellement des fluides à l'interface fluide-minéral. Les failles et les fractures des détachements océaniques sont les zones hautement perméables qui permettent à l'eau de mer de pénétrer profondément dans le manteau lithosphérique. Cependant, le processus de serpentinisation conduit à la précipitation de minéraux de faible densité qui peuvent remplir le réseau poreux, colmatant les chemins d'écoulement qui peuvent modifier les propriétés hydrodynamiques et la réactivité des roches réagi.Ces travaux de thèse visent à améliorer la compréhension des effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamique du milieu dans les zones hautement perméables au cours des premières étapes de l'altération du socle ultramafique. Il se concentre en particulier sur les changements de texture et les réactions chimiques des roches ultramafiques en évaluant les effets du (i) débit et (ii) des fluides salins riches en CO2. Deux séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisées à T = 170-190°C et P = 25MPa. La première série d'expériences consistait à injecter de l'eau de mer dans des échantillonnes de poudre d'olivine compressé sur une large gamme de débits constants. La tomographie par rayons X de haute résolution a été acquise avant et après l'expérience avec des débits élevés; afin d'évaluer les changements dans la microstructure de la roche lors de la réaction de serpentinisation. La deuxième série d'expériences consistait à injecter des fluides salins riches en CO2 dans des échantillonnes de péridotite fracturés mécaniquement.Les résultats ont permis de différencier: (1) un contrôle du débit du flux à l'échelle du pore peut contrôler la composition du fluide local et le développement de différents chemins de réaction à l'échelle de l'échantillon. (2) Le développement de différentes chemins réactifs et les changements de texture dans la roche dépend de la concentration de CO2 dissous dans la solution. (3) La formation de minéraux carbonatés (MgCO3) peut stocker du CO2 sous forme stable de minéral à long terme. (4) Un contrôle de la concentration de CO2 dissous dans le fluide et du réseau de fractures peut améliorer / limiter l'efficacité du stockage de CO2 dans les réservoirs de péridotite fracturés.Ces nouvelles données suggèrent un contrôle complexe de la structure des roches ultramafiques dans le processus de serpentinisation et fournissent de nouvelles perspectives pour le stockage potentiel du CO2 dans les réservoirs fracturés à la péridotite
The hydrothermal alteration of the mantle lithosphere at mid-ocean ridges provides a mechanism for transferring heat and mass between the deep Earth and the overlaying ocean. The mantle lithosphere is constituted by ultramafic rocks, also called Peridotites. They comprise more than 70% of olivine, associated pyroxenes and minor mineral phases. The percolation of seawater into the ultramafic basement produces the alteration of olivine and pyroxenes to serpentine through the so-called serpentinization process and is associated to oxidation and carbonation reactions, the later when CO2 is present. The serpentinization process has special interest on H2 production, CO2 storage, development of life, and the production of economically valuable ore-deposits concentrated at hydrothermal vents. The sustainability and efficiency of the reactions requires penetration and renewal of fluids at the mineral-fluid interface. Oceanic detachment faults and fractures are the highly permeable zones allowing seawater derived fluids to penetrate deeply into the mantle lithosphere. However, the serpentinization process lead to the precipitation of low density minerals that can fill the porous network, clogging flow paths efficiently that may in turn modify the hydrodynamic properties and the reactivity of the reacted rocks.This PhD thesis aims at better understanding the feedback effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties occurred on highly permeable zones during the earliest stages of alteration of the ultramafic basement. It focuses in particular on the changes in texture and chemical reaction paths of ultramafic rocks by assessing the effects of (i) flow rate and (ii) CO2-rich saline fluids. Two suite of reactive percolation experiments were performed at T=170-190°C and P=25MPa. The first suite of experiments consisted in injecting artificial seawater into porous compressed olivine powder cores over a wide range of constant flow rates. X-Ray µ-tomography of high resolution was acquired before and after the experiment run with high flow rates; in order to evaluate the micro-structural changes of the rock occurred during the serpentinization reaction. The second suite of experiments consisted in injecting CO2-rich saline fluids into peridotite cores mechanically fractured.The results allowed us to differentiate: (1) That, a control of flow infiltration rate at the pore-scale can control the local fluid compositions and the development of different reaction paths at the sample-scale. (2) The development of different reaction paths and textural changes in the rock depends on the concentration of CO2 dissolved in solution. (3) The formation of carbonate minerals (MgCO3) can store CO2 in a form of stable mineral at long-term. (4) A control of the concentration of dissolved CO2(g) and the fracture network can enhance/limit the efficiency of CO2-storage in peridotite fractured reservoirs.These new supporting data suggest a complex control of the structure of the ultramafic rocks in serpentinization process and provides new insights for the potential CO2-storage in peridotite fractured reservoirs

Cette étude vise caractériser le manteau lithosphérique du massif du Hoggar (Algérie) et son évolution, grâce à une étude multidisciplinaire (pétrologique, géochimique et pétrophysique) d'enclaves mantelliques échantillonnées par le volcanisme cénozoïque. L'échantillonnage provient de deux districts volcaniques (Tahalagha et Manzaz) situés respectivement en périphérie et au coeur du bombement du Hoggar. Le district de Tahalgha est par ailleurs situé à cheval sur un grand cisaillement pan-africain (le 4°35), séparant deux domaines structuraux majeurs du socle du Hoggar : le Hoggar Central Polycyclique à l'Est (domaine LATEA) et le Hoggar occidental à l'Ouest (bloc d'Iskel). Les xénolites étudiés apportent des informations sur l'évolution du manteau lithosphérique depuis l'orogenèse pan-africaine, au cours de laquelle s'est structuré le socle de cette région (le Bouclier Touareg), jusqu'aux événements cénozoïques responsables du bombement topographique et du volcanisme.L'héritage pan-africain est essentiellement préservé dans les échantillons du district périphérique de Tahalgha, sous la forme de lherzolites équilibrées à basse température (750 - 900°C), à clinopyroxènes appauvris en terres rares légères. Ces échantillons sont considérés comme représentant la lithosphère sous-continentale à l'issue des processus de réjuvénation qui ont marqué les derniers stades de l'orogenèse pan-africaine. Ils montrent des textures de déformation (porphyroclastiques à equigranulaires) bien préservées, attribuées à ces événements et caractérisées par des orientations cristallographiques préférentielles (OPRs) de l'olivine (axiales-[010]) compatibles avec un régime transpressif. Les événements cénozoïques sont marqués par un recuit partiel de ces textures, particulièrement prononcé à Manzaz et dans les échantillons de Tahalgha équilibrés à des températures moyennes à élevées (900-1150°C), et affectés par différents degrés de métasomatisme. Les xénolites de Tahalgha représentent un cas d'étude exemplaire du métasomatisme mantellique, couplant variations texturales, minéralogiques et chimiques le long de gradient locaux de température. Une modification des OPRs d'olivine est observée, qui résulterait à la fois de l'infiltration de liquides métasomatiques et d'une réactivation des accidents pan-africains en cisaillement pur.Des implications importantes de cette étude résident dans l'échelle des variations de premier ordre attribuées aux interactions lithosphère-asthénosphère au Cénozoïque. Celles-ci sont essentiellement à l'échelle du bombement du Hoggar (différences entre Manzaz et Tahalga, c'est-à-dire entre Hoggar central et périphérique) ou à celle de conduits magmatiques et de leurs épontes (variabilité locale des xénolites de Tahalgha). Par contre, les résultats obtenus montrent peu de variations significatives pour les échelles intermédiaires, notamment pour des localités de Tahlagha situées de part et d'autre ou à différentes distances du 4°35. Ceci favorise plutôt, pour l'origine du bombement volcanique du Hoggar, les modèles faisant appel à des structures d'assez grande échelle telle qu'un panache mantellique ou une cellule de convection asthénosphérique de type « Edge Driven Convection », plutôt qu'un processus essentiellement lié à la réactivation des failles lithosphériques pan-africaines
This study aims to characterize the lithospheric mantle of the Hoggar swell (Algeria) and its evolution through time via a multidisciplinary (petrological, geochemical and petrophysical) study of mantle xenoliths sampled by Cenozoic volcanism. The samples were collected in two volcanic districts (Tahalagha and Manzaz) located in the periphery and in the central part of the Hoggar massif, respectively. The Tahalgha sampling also straddles a mega pan-African shear zone (the 4°35 fault) between two major structural domains of the Tuareg Shield basement: the Central Polycyclic Hoggar to the East (LATEA terranes) and the Western Hoggar domain to the West (Iskel block). The studied xenoliths provide information on the evolution of the lithospheric mantle from the Pan-African orogeny – i.e. the period when the Tuareg Shield was structured – to the Cenozoic events responsible for topographic upwelling and volcanism in the Hoggar swell.The Pan-African heritage is found in xenoliths from the peripheral Tahalgha district. These samples are distinguished by low equilibrium temperatures (750-900°C) and LREE-depleted clinopyroxene compositions. They are considered to represent the sub-continental lithosphere after the rejuvenation process that marked the later stages of the Pan-African orogeny. They show well preserved deformation textures (porphyroclastic to equigranular) assigned to these events and characterized by preferential crystallographic orientations (CPOs) of olivine (axial-[010]) consistent with a transpressional regime. The Cenozoic events are marked by partial annealing of these textures, particularly pronounced in the Manzaz samples, as well as in the Tahalgha xenoliths equilibrated at medium to high temperatures (900-1150°C). These samples were affected by different degrees of metasomatism. The Tahalgha xenoliths represent a rather unique case study of mantle metasomatism, where coupled textural, mineralogical and chemical variations occur along local temperature gradients. The Cenozoic events were also responsible for a change in olivine CPOs, resulting from both infiltration of metasomatic fluids and reactivation of Pan-African accidents in a pure-shear regime.Important implications of this study lie in the scale at which the first-order lithosphere modifications ascribed to the Cenozoic event are observed, i.e. either at the scale of the whole Hoggar swell, as shown by the increasing degree of textural annealing and metasomatism from Tahalgha to Manzaz (i.e. from outer to central Hoggar), or at the small scale of magma conduits and their wall rocks, as shown by the local variability registered by the Tahalgha xenoliths. Conversely, our data show little changes at intermediate scales, as might be expected, for instance, among the Tahalgha localities situated on either sides - or at different distances - from the 4°35. As regards the origin of the Hoggar volcanic swell, this result favours the models involving relatively large-scale structures such as a mantle plume or "Edge Driven Convection", rather than a process involving merely the reactivation of pan-African lithospheric faults

La convection dans le manteau terrestre est la principale force motrice du mouvement des plaques tectoniques. Alors que les parties inférieures du manteau supérieur se déforment de manière ductile, les plaques tectoniques sont rhéologiquement plus rigides que l'asthénosphère sous-jacente. Pour comprendre le couplage entre la convection profonde et les plaques tectoniques à la surface de la Terre, il est essentiel de comprendre les mécanismes de déformation visqueuse et frictionnelle du manteau lithosphérique. Mais à ce jour, la rhéologie du manteau supérieur juste au-dessous de la discontinuité de Mohorovicic est encore mal comprise. De plus, les premiers stades de la déformation viscoplastique à des températures intermédiaires (600-1000 ° C) pertinentes pour le manteau lithosphérique, ne sont ni bien documentés ni quantifiés. Dans le passé, la plupart des expériences de déformation étaient effectuées à des températures très élevées (> 1200 ° C). Pour fournir des valeurs mécaniques précises pour le manteau lithosphérique, nous avons besoin de données mécaniques mais aussi de la caractérisation de la microstructure associée pour comprendre la physique des mécanismes en jeu lors de la déformation permanente des roches riches en olivine. Dans cette thèse, nous avons réalisé des expériences de déformation en compression axiale à l'aide d'une presse Paterson (Géosciences Montpellier, Université de Montpellier, France) à haute pression et température (300 MPa, 1000-12000 ° C) et en torsion (‘rotary shear frictional testing machine’ au laboratoire de mécanique des roches, université de Durham, Royaume-Uni) à pression et température ambiantes. Les échantillons ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage, diffraction d’ d'électrons rétrodiffusés et microscopie électronique en transmission. Après un chapitre d'introduction où l'état de l'art est détaillé et un chapitre consacré aux méthodes expérimentales et analytiques utilisées dans les projets scientifiques, la thèse s'organise en trois chapitres, chacun correspondant à trois articles scientifiques: le premier est publié (1) Évolution de la contrainte et des microstructures associées au fluage transitoire de l'olivine à 1000-1200 °C (Phys. Earth Planet. Int., doi: 10.1016/ j.pepi.2018.03.002. (https: //hal.archives- ouvertes.fr/hal-01746122) et les deux autres sont en préparation, (2) Densité de disclinaisons dans l'olivine polycristalline déformée expérimentalement à 1000 ° C et 1200 ° C (3) Déformation par cisaillement de l'olivine nano- et micro-cristalline. Le premier projet du chapitre III a montré que le durcissement mécanique observé ne peut pas provenir d'une simple augmentation de la densité de dislocations (e.g., la forêt) et que d'autres mécanismes doivent être mis en œuvre pour compenser les limites de glissements des dislocations. Dans le chapitre IV, les densités de dislocation géométriquement nécessaires (GND, défauts de translation) et les disclinaisons (défauts de rotation) sont quantifiées sur une série de roches déformées à différentes températures, déformations finies et niveaux de contrainte, mais aucune corrélation n'a été identifiée entre la densité de disclinaisons, et la contrainte, la déformation finie, ou la densité de GND. Le rôle des disclinaisons serait donc limité à la migration aux joints de grains, ce qui peut être suffisant pour débloquer les dislocations dans l'agrégat d'olivine polycristalline. Au chapitre V, les expériences de torsion ont confirmé l'effet négligeable de la taille du grain (olivine de 0,7 à 70 µm) sur la diminution drastique du coefficient de frottement, mais la caractérisation des échantillons n’a pas permis d'élucider le mécanisme principal de déformation. Cette thèse a permis de mieux caractériser la transition fragile-ductile d'une roche de type dunite à grains fins soumise à une déformation permanente aux températures du manteau sommitale
Convection in Earth’s mantle is the major driving force behind the movement of tectonic plates. While the lower parts of the upper mantle deform in a ductile way, the plates themselves are rheologically more rigid than the asthenosphere beneath. To understand how convection yields tectonic plates, it is vital to quantify the viscous and frictional strength of the lithospheric mantle. Yet to date, the rheology of the uppermost mantle just below the Mohorovicic discontinuity is still poorly understood. Furthermore, the early stages of visco-plastic deformation at intermediate temperatures (600 – 1000 °C) relevant of the lithospheric mantle are not well documented or quantified. In the past, most deformation experiments were performed at high temperatures (> 1200 °C). To provide accurate mechanical values for the lithospheric mantle, we need mechanical data but also a characterization of the associated microstructure to understand the deformation mechanisms at play during permanent deformation of olivine-rich rocks. In this thesis, I have performed deformation experiments in axial compression using a Paterson press (at Géosciences Montpellier, University of Montpellier, France) at high pressure and temperature (300 MPa, 1000 -12000 °C) and in torsion using a low to high velocity rotary shear frictional testing machine (Rock Mechanics Laboratory, Durham University, UK) at room pressure and temperatures. The recovered samples were characterized using scanning electron microscopy, electron backscatter diffraction and transmission electron microscopy. After an introduction chapter where the state-of-the-art is detailed, and a chapter focusing on experimental and analytical methods used during scientific projects, the thesis is organized as three subsequent chapters, each of them corresponding to three scientific articles: one is published (1) Stress evolution and associated microstructure during transient creep of olivine at 1000-1200 °C (Phys. Earth Planet. Int., doi: 10.1016/j.pepi.2018.03.002.); and the two others are in preparation, (2) Disclination density in polycrystalline olivine experimentally deformed at 1000 °C and 1200 °C; and (3) Shear deformation of nano- and micro-crystalline olivine at seismic slip rates. Chapter III has shown that the observed mechanical hardening can not come from a simple increase in dislocation density (e.g., entanglement) and that other mechanisms must be at play to compensate for the limitations of dislocation slip. For the first time, in chapter IV the densities of geometrically necessary dislocations (GND, translational defects) and disclinations (rotational defects) are quantified on a series of rocks deformed at different temperatures, finite strains and stress levels. No correlation has been identified between disclination density and stress, strain or GND. The role of the disclinations will therefore be limited to migration at grain boundaries, which may be sufficient to unblock dislocations in the polycrystalline olivine aggregate. In chapter V, torsion experiments confirmed the negligible effect of grain size (olivine from 0.07 to 70 μm) on the drastic decrease of the coefficient of friction, but the characterization of the samples did permit to shed light on the main mechanism of deformation. Thanks to an experimental approach and up-to-date material characterization, this thesis permitted better characterization of the brittle-ductile transition of a fine-grained dunite-type rock subjected to permanent deformation at uppermost mantle temperatures

La génération de plaques tectoniques implique une localisation efficace de la déformation dans la lithosphère pendant de longues périodes. Dans cette thèse, j'ai quantifié la contribution de l'anisotropie visqueuse due aux orientations préférentielles de réseau (OPR) de l'olivine dans le manteau lithosphérique sur la localisation de la déformation à l'échelle de la plaque. Dans un premier temps, j'ai réalisé des expériences numériques en utilisant des modèles de plasticité polycristalline viscoplastique auto-cohérente pour évaluer la magnitude et les paramètres de contrôle de l'anisotropie visqueuse induite par l'olivine à l'échelle de la roche. J'ai comparé leurs prédictions aux données expérimentales afin de valider les résultats du modèle. Ensuite, une paramétrisation basée sur ces modèles a été développée et implémentée dans un code géodynamique 3D pour étudier la réactivation structurale associée aux zones de cisaillement fossilisées dans le manteau et le rôle possible de l'anisotropie visqueuse sur le développement de la sismicité linéaire dans les domaines intraplaques.Les résultats montrent que l'activation des mécanismes secondaires à l'échelle de la roche contribue fortement à réduire la magnitude de l'anisotropie visqueuse dans les roches mantelliques. Les conditions aux limites imposées sont un paramètre important qui régule l'anisotropie visqueuse induite par la OPR à l'échelle de roches et de plaques. La présence de OPR olivine dans le manteau lithosphérique entraîne une forte dépendance directionnelle de la localisation de la déformation dans les zones de cisaillement fossile du manteau, qui, si elles sont bien orientées pour être réactivées, induisent une déformation localisée dans toute la lithosphère
The generation of earth-like plates implies efficient strain localization in the lithosphere for long times-spans. In this thesis, I quantified the contribution of viscous anisotropy due to crystal preferred orientations (CPO) of olivine in the lithospheric mantle on strain localization and deformation at the plate- scale. First, I performed numerical experiments using viscoplastic self- consistent polycrystal plasticity models to evaluate the magnitude and controlling parameters of olivine-induced viscous anisotropy at the rock- scale and compared their predictions to experimental data to validate the model results. Then a parameterization based on these models has been developed and implemented in a 3D geodynamical code to study structural reactivation associated with fossil shear zones and the possible role of viscous anisotropy on the development of linear seismicity in intraplate settings.The results show that activation of secondary mechanism at the rock scale greatly contributes to reducing the extent of viscous anisotropy in mantle rocks. The imposed boundary conditions are an important parameter regulating the CPO-induced viscous anisotropy at both rock- and plate scale. The presence of olivine CPO in the lithospheric mantle lead to strong directional dependence of the strain localization in fossil mantle shear zones, which, If well oriented to be reactivated, it induces strain localization in the entire lithosphere

Cette étude vise à caractériser la composition chimique d’enclaves de pyroxénites échantillonnées par le volcanisme cénozoïque intraplaque de la province volcanique de Azrou Timahdite dans le Moyen Atlas marocain afin de préciser leur origine et leur signification dans le cadre de l’évolution géodynamique du manteau sous l’Afrique du Nord. Les interprétations sont basées sur une étude pétrologique et sur des données géochimiques à l’échelle de la roche totale et du minéral. Les données sont utilisées dans le cadre du débat récurrent pour savoir si les pyroxénites représentent d’anciens événements magmatiques ou sont des fragments de croûte océanique recyclés dans le manteau lithosphérique. Les données géochimiques montrent que les pyroxénites du Moyen Atlas ont été formées par différents processus : 1 - recyclage de croûte océanique dans le manteau lithosphérique; 2 – réactions entre un magma et des roches basiques anciennes ; 3 – cristallisation dans le manteau à partir d’un magma enrichi. L’origine et l’âge des pyroxénites formées par recyclage de la croûte océanique ou par réaction entre un magma et des roches plus anciennes sont difficile à interpréter dans le cadre de l’évolution géodynamique de cette région. Par analogie avec les massifs de Ronda et de Beni Bousera, ces pyroxénites pourraient représenter d’anciennes roches basiques isolées depuis très longtemps dans le manteau lithosphérique sous-Continental. Ces fragments de croûte océanique et certaines signatures crustales peuvent être reliés à des processus de subduction pan-Africains. Dans ce cas, ces pyroxénites ont gardé leur signature géochimique intacte, sans modification significative au cours du temps
The Ph.D. study is aimed at characterising the composition of pyroxenite xenoliths brought to the surface by Cenozoic intraplate volcanism in the Azrou Timahdite district of Middle Atlas (Morocco) to unravel their origin and significance in the frame of the geodynamic evolution of the North Africa lithospheric mantle. The interpretations are based on a petrological approach and on reliable geochemical information at both bulk rock and mineral scale. The data are used to address a largely debated and crucial issue, namely whether pyroxenites do represent ancient magmatic events or section of subducted crust recycled into the lithospheric mantle. The geochemical data revealed that the Middle Atlas pyroxenites formed through different processes: 1 – recycling of older oceanic crust in the lithospheric mantle; 2 – reactions between mantle melt and older mafic layers; 3 – magmatic crystallization from enriched melts at mantle depth. In an overall geodynamic scenario, the origin and age of the pyroxenites interpreted as fragments of recycled oceanic crust and as products of melt-Rock interaction processes are not completely understood. By analogy with Ronda and Beni Bousera these pyroxenites could represent old mafic rocks that have been isolated in the subcontinental lithospheric mantle for very long time spans. The fragments of oceanic material and the crustal components recorded by pyroxenites may be tentatively related to subduction processes occurred during Pan-African times. If so, these pyroxenites maintained for long time their pristine geochemical signatures without marked changes

Les travaux réalisés durant cette thèse apportent de nouvelles contraintes sur les relations entre déformation, hydratation et percolation de fluides et/ou de magmas dans le manteau subcontinental sous un craton et sous un rift, et leurs implications sur son comportement rhéologique. Il repose sur l'analyse des microstructures, des OPRs et des teneurs en hydrogène de xénolites mantelliques du craton du Kaapvaal, et sur deux séries de xénolites provenant de différentes localités le long du rift Est-Africain (Divergence Nord Tanzanienne et SE de l'Ethiopie). Les microstructures granulaires à gros grains et les OPRs bien définies des péridotites du craton du Kaapvaal sont cohérentes avec un épisode de déformation suivi d'une longue période de quiescence. Les OPRs de l'olivine sont majoritairement à symétrie orthorhombique, mais des symétries axiale-[100] et axiale-[010] sont aussi mesurées. Les péridotites cratoniques enregistrent de multiples épisodes métasomatiques, ayant entraîné une hétérogénéité de compositions à petite échelle ne pouvant être détectée par les études sismiques. Les teneurs en hydrogène mesurées dans l'olivine sont variables, mais ont tendance à augmenter jusqu'à 150 km de profondeur, atteignant alors jusqu'à 50 ppm wt. H2O. En dessous de cette profondeur, les échantillons montrent des teneurs en hydrogène très faibles. Les expériences réalisées en piston-cylindre sur la diffusion de l'hydrogène issue d'un liquide kimberlitique vers de la forstérite suggèrent que la fugacité en eau pourrait fortement être diminuée par la présence de CO2, empêchant l'hydratation de l'olivine durant extraction des xénolites par les kimberlites. Ces résultats expérimentaux suggèrent que les teneurs en hydrogène dans l'olivine des péridotites du craton du Kaapvaal ont été acquises durant un épisode métasomatique en profondeur et non pendant leur extraction par les kimberlites. Ces teneurs n'ont toutefois pas à ce jour entraîné de remobilisation de la racine cratonique. Enfin, le calcul des propriétés sismiques des péridotites cratoniques révèle que les anisotropies générées par les OPRs de ces échantillons sont suffisantes pour expliquer les anisotropies mesurées par les ondes SKS et les ondes de surface.Les xénolites de la Divergence Nord-Tanzanienne, montrent des variations significatives de microstructures et d'OPR de l'olivine entre les péridotites des localités dans l'axe du rift et celles de la chaîne volcanique transverse (Lashaine et Olmani). A Lashaine, les microstructures granulaires à gros grains et les OPRs de type orthorhombique et axial-[010] peuvent être expliquée par une déformation en transpression liée à la formation de la chaîne Mozambique ou par la présence d'une relique d'un domaine cratonique à l'intérieur de la chaîne Mozambique. Dans l'axe du rift, les microstructures porphyroclastiques à mylonitiques suggèrent une déformation plus récente, accompagnée de réactions magma-roche sous des conditions proches du solidus, suivie d'un recuit variable. L'hétérogénéité des microstructures enregistrées par les échantillons du rift suggère de multiples épisodes de déformation localisée, probablement liés à l'injection percolation épisodique de magmas, espacés de périodes d'accalmie. Les OPRs de l'olivine de type axial-[100] et l'orientation des directions de polarisation des ondes SKS suggère que le rift s'est formé en régime de transtension Les péridotites du Sud-Est de l’Éthiopie présentent des microstructures porphyroclastiques à gros grains moins recristallisées qu'en Tanzanie. Les microstructures et les OPRs principalement de type orthorhombique suggèrent une déformation syn- à post-métasomatisme. Les anisotropies de polarisation des ondes S calculées pour ces échantillons sont insuffisantes pour expliquer à elles seules les déphasages des ondes SKS dans cette partie du rift
This study provides additional constraints on the relations between deformation, hydration and percolation of fluids and melts in the subcontinental lithospheric mantle beneath a craton and a rift, as well as their implication on its geodynamical behaviour. I have analysed the microstructures, the CPOs, and the hydrogen content of mantle xenoliths from the Kaapvaal craton, and two sets of xenoliths from different localities along the East African Rift (North Tanzanian Divergence and SE Ethiopia). The coarse-granular microstructures and the well-defined CPOs in Kaapvaal peridotites suggest a deformation followed by a long quiescence time. Orthorhombic olivine CPOs predominates, but axial-[100] and axial-[010] are also measured. Cratonic peridotites record multiple metasomatic episodes, leading to a significant compositional heterogeneity, which cannot be imaged by seismic studies. Olivine hydrogen contents are variable, but tend to increase until 150 km depth, reaching up to 50 ppm wt. H2O. The deeper samples are almost dry. Piston-cylinder experiments on hydrogen diffusion between a volatile-rich kimberlitic melt and forsterite suggest that the presence of CO2 in the system could significantly decrease water fugacity and thus forsterite hydration. These experimental results indicate that the hydrogen contents measured in olivine were acquired during a metasomatic event rather than during xenolith extraction by kimberlites. However, this metasomatism was not followed by remobilization of the cratonic root. In the North Tanzanian Divergence, localities within the rift axis and the volcanic transverse belt (Lashaine and Olmani) show significant differences in microstructures and olivine CPO patterns. In Lashaine, coarse-granular microstructures and orthorhombic to axial-[100] CPO patterns in olivine can be explained by transpressional deformation during the formation of the Mozambique belt, or by the occurrence of a remnant of a cratonic domain embedded within the Mozambique belt. Within the rift axis, porphyroclastic to mylonitic microstructures suggest a recent rift-related deformation accompanied by syn-kinematic melt-rock reactions, and followed by variable annealing. The strong heterogeneity in microstructures and olivine CPO suggests that this deformation was acquired during multiple tectonic events probably linked to episodic magma percolation, separated by quiescence episodes. The axial-[100] patterns in olivine and the oblique fast directions reported by SKS studies are coherent with transtensional deformation within the lithospheric mantle beneath the rift. The peridotites from SE Ethiopia are less recrystallized than the rift-axis Tanzanian peridotites, displaying coarse-porphyroclastic microstructures. Microstructures and orthorhombic CPOs in olivine suggest syn- to post-metasomatic deformation. S-waves polarization anisotropies calculated for these samples cannot explain alone the delay times reported by SKS studies in this part of the East-African Rift

Mon travail de thèse s'est attaché à caractériser le manteau supérieur Patagonien à travers l'étude pétrologique et géochimique d'enclaves mantelliques échantillonnées par des basaltes alcalins mise en place au Cénozoïque en contexte d'arrière arc. Les enclaves du Nord de la Patagonie conservent d'importants stigmates de processus de fusion partielle alors que dans celles du Sud, les circulations de liquide ont oblitérées, partiellement voire totalement, les empreintes de fusion partielle. Finalement, cette étude permet de proposer que les liquides qui ont métasomatisés à grande échelle le manteau patagonien, principalement au Sud, sont essentiellement de type silicaté mafique d'affinité alcaline. Ces liquides sont certainement à relier aux différentes phases magmatiques associés à des processus de remontées asthénosphériques et non pas à des processus de déshydratation de slab.

Héritées de l’atmosphère primitive, des anomalies dans les abondances relatives des isotopes du soufre (32S, 33S, 34S et 36S) sont enregistrées dans les sédiments terrestres d’il y a plus de 2,5 milliards d’années (i.e. archéens). Nous évaluons ici la robustesse des isotopes du soufre à tracer le recyclage précoce de croûte océanique et de sédiments, transférés dans le manteau profond ou stockés dans le manteau lithosphérique depuis la mise en place de la subduction. En Sibérie, le manteau lithosphérique a été naturellement échantillonné par l’éruption de la kimberlite d’Udachnaya-Est. Extrêmement bien préservée, riche en Na, K, Cl, S et contenant des reliques de croûte océanique Archéenne, cette kimberlite nous permet de tester : (1) l’hypothèse du recyclage de soufre atmosphérique Archéen dans le manteau lithosphérique et/ou la source de cette kimberlite ; (2) la cohérences entre les méthodes in situ (SIMS dans les minéraux de sulfure) et bulk (extraction chimique du soufre et spectrométrie de masse à source gazeuse) pour les mesures multi-isotopiques du soufre. Nos résultats, complétés par des mesures isotopiques en Rb-Sr, Sm-Nd et plomb (204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb), montrent que : (1) les sulfates de la kimberlite et des nodules composés de chlorure-carbonate ont une origine magmatique profonde, non-contaminée par les sédiments encaissants, suggérant la présence de domaines oxydés et riches en sulfates dans le manteau ; (2) les mesures isotopiques du soufre par méthode bulk sont cohérentes avec les populations de sulfures observées in situ ; (3) les sulfures des kimberlites salées sont appauvris en 34S par rapport à la valeur chondritique et enregistrent de faibles anomalies isotopiques en soufre ; (4) les péridotites déformées contiennent d’autres sulfures appauvris en 34S, qui eux préservent des anomalies en 33S et 36S héritées de la surface archéenne, malgré un équilibrage isotopique du chronomètre U-Pb lors de l’éruption de la kimberlite
Inherited from the early atmosphere, anomalies in the relative abundances of sulfur isotopes (32S, 33S, 34S and 36S) are recorded in sediments older than 2.5 billion year (i.e. Archean). Here we test the robustness of sulfur isotopes to trace the early recycling of oceanic crust and sediments that may have been transferred to the deep mantle or stored in the lithospheric mantle since the onset of subduction. In Siberia, the lithospheric mantle has been naturally sampled by the Udachnaya-East kimberlite while it was erupting. Because it is extremely well preserved, rich in Na, K, Cl, S and contains remnants of oceanic crust recycled during the Archean, this kimberlite enables us to test : (1) the hypothesis of an early recycling of Archean atmospheric sulfur in the lithospheric mantle and/or the deeper source of the kimberlite; (2) the coherence between in situ (SIMS in sulfide minerals) and bulk methods (chemical extraction of sulfur from powdered rocks, followed by gas source mass-spectrometry) for measuring multiple sulfur isotopes. Our results, combined with measurements of Rb-Sr, Sm-Nd and lead (204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb) isotopes, show that: (1) sulfates from the Udachnaya-East kimberlite and its nodules composed of chloride-carbonate have a deep, magmatic origin, uncontaminated by host sediments, suggesting the presence of sulfate-rich, oxidized domains in the mantle; (2) measurements of sulfur isotopes by bulk methods are consistent with the sulfide populations observed in situ; (3) sulfides from salty kimberlites are depleted in 34S with respect to the chondritic value and record small anomalies in sulfur isotopes ; (4) sheared peridotites contain another population of sulfides that are depleted in 34S and preserve 33S and 36S anomalies inherited from the Archean surface, despite resetting of the U-Pb chronometer during kimberlite eruption

L’origine des suites de mégacristaux des kimberlites est sujette à d’intenses débats depuis de nombreuses années. La suite complexe de mégacristaux (grenat, clinopyroxène, zircon, baddeleyite, ilménite, rutile et nodules d’intercroissances rutile-silicates) des kimberlites diamantifères de Mbuji-Mayi (Kasaï Oriental), mises en place au Crétacé dans le craton archéen du Congo-Kasaï, a été étudiée en détails dans le but d’établir les relations entre les différents minéraux de la suite, leur relation au magma kimberlitique-hôte et au manteau lithosphérique cratonique archéen. L’étude des mégacristaux de grenat des kimberlites pauvres en diamants du Kundelungu (Katanga) a permis en outre d’établir la comparaison entre les mégacristaux de deux provinces kimberlitiques en République Démocratique du Congo, qui diffèrent notamment par leur âge de mise en place et par la composition et l’âge du socle traversé.

L’ensemble des données minéralogiques et géochimiques acquises (éléments majeurs et en traces, géochimie isotopique de l’oxygène, du Nd et de l’Hf) est intégré dans le but de déterminer la nature du (ou des) processus qui a (ont) donné naissance à ces suites de mégacristaux.

En parallèle, l’origine d’un xénolite rare de clinopyroxénite à kyanite exceptionnellement riche en Cr des kimberlites de Mbuji-Mayi a été explorée.

Bien qu’ils partagent de nombreuses caractéristiques avec d’autres suites de mégacristaux kimberlitiques, les mégacristaux de RDC sont généralement enrichis en Cr et appauvris en Fe et Ti, et ne présentent pas de preuve d’une origine par cristallisation fractionnée à partir d’un magma, ce qui permet de suggérer une origine différente, en l’occurrence une liaison plus directe avec le manteau lithosphérique réfractaire local lors de leur formation. Une origine métasomatique par interaction entre un liquide/fluide précurseur de la kimberlite et les péridotites du manteau lithosphérique est donc favorisée. L’ensemble des espèces minérales qui forme la suite de mégacristaux peut en effet trouver un équivalent compositionnel dans les lithologies métasomatisées de la lithosphère mantélique.

Les mégacristaux de grenat des deux provinces partagent des similarités frappantes qui sont interprétées en termes de processus de formation similaires. En revanche, ils ont systématiquement montré un comportement géochimique singulier, suggérant un processus de formation différent des autres mégacristaux. Ils semblent en effet avoir retenu l’héritage des compositions variables d’anciens protolites de grenat affectés récemment par un métasomatisme de type kimberlitique. Ces grenats résultent de la recristallisation de grenats initialement présents dans les péridotites cratoniques de la lithosphère archéenne. Par contre, les mégacristaux de clinopyroxène, zircon, baddeleyite, ilménite, rutile et les nodules d’intercroissances rutile-silicates se sont effectivement formés récemment par l’interaction métasomatique entre le liquide/fluide proto-kimberlitique et les péridotites cratoniques. Des variations locales du rapport (fluide et/ou liquide)/roche et de l’activité en SiO2 lors de la percolation du magma proto-kimberlitique asthénosphérique dans le manteau lithosphérique cratonique, couplées à la nature propre à la kimberlite de la région, permettent d’intégrer l’ensemble des mégacristaux dans un modèle pétrogénétique commun, avec des processus de formation parfois contrastés.

Doctorat en Sciences
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L'existence d'un point chaud localisé en Afar est confirmée. Principalement deux composants mantelliques interviennent dans la genèse des laves du Sud de la Mer Rouge et d'Afar: un manteau appauvri en LREE et une source présentant des caractéristiques du pôle HIMU. Certains basaltes des plateaux éthiopiens et d'Afar (en particulier ceux émis avant l'ouverture du Golfe de Tadjoura) sont contaminés par la croûte continentale. Les résultats analytiques présentés ici, suggèrent que certains basaltes djiboutiens récents et des laves acides d'Afar sont contaminés par des gabbros hydrothermalisés. A aucun moment ne sont émis de façon massive des basaltes aux caractéristiques attribuables au manteau lithosphérique. Les basaltes d'Arabie ne peuvent pas être intégrés de façon simple au modèle de point chaud unique associé à l'ouverture de la Mer Rouge. L'existence d'un autre point chaud localisé au Nord de Djeddah est une hypothèse à envisager.

La lithosphère continentale est physiquement et chimiquement segmentée. La cartographie des isotopes radiogéniques de roches plutoniques acides, représentatives de la croûte continentale, et de laves basiques, représentatives du manteau, possède des similarités avec la cartographie sismique de la lithosphère sous-jacente. Ces similitudes permettent d'interpréter les observations sismiques en étudiant leurs caractéristiques chimiques et leur âge. Les isotopes du plomb permettent de dater et d'identifier l'empilement de segments crustaux qui forment la croûte. L'écart des âges modèles du plomb avec d'autres systèmes identifie le recyclage crustal et le réchauffement de la croûte au dessus de la température du système plomb-plomb. Le système plomb-plomb donne également accès au sous-étudié rapport Th/U qui contraint la profondeur de la source des roches continentales. Certains échantillons de l'ouest U.S.A. proviennent de la croute inférieure, et se sont formés par l'extension crustale ou par un flux de matériel au sein de la croûte. Les isotopes du néodyme et de l'hafnium marquent la fusion du manteau lithosphérique enrichis sous le Colorado Plateau, une région où est observée le détachement du manteau lithosphérique sub-continental. Ce manteau fond par décompression adiabatique, par extension localisée ou remontée asthénosphérique engendrée par la convection locale. Au final, l'association des systèmes isotopiques du plomb, du néodyme, et de l'hafnium avec la sismologie est une approche puissante pour étudier la formation et la déformation de la lithosphère continentale.

La partie orientale de la dorsale sud-ouest indienne est particulièrement pauvre en apports magmatiques et constitue de ce fait un laboratoire naturel pour étudier l'accrétion océanique dans une configuration extrême, pour laquelle la divergence des plaques est presque complètement accommodée par le jeu de failles normales à grand rejet. Ces failles, également appelées failles de détachement, exhument des péridotites serpentinisées d'origine mantellaire sur le plancher océanique. Les mécanismes de déformation des roches mantelliques au cours de leur exhumation, avant leur passage dans le domaine de circulation de fluides hydrothermaux, sont peu connus. Nous avons étudié les textures de déformation et les mécanismes de localisation, ainsi que les assemblages minéralogiques associés, dans un corpus de presque 400 échantillons de péridotites serpentinisées draguées pendant la campagne SMoothSeafloor (2010). Tous les échantillons présentent à des degrés variables une déformation hétérogène combinant des mécanismes de déformation cassants (fractures, kinks) et plastiques (extinction ondulante, sous-joints, recristallisation dynamique). L’une des manifestations de cette déformation est la recristallisation syntectonique d’olivines et de pyroxènes au sein de kinks et de microfractures. Ces textures résultent de conditions de hautes contraintes et hautes températures en base de lithosphère, dans la zone d’enracinement des détachements. Ces observations microstructurales ont été intégrées dans un modèle thermomécanique 2D du domaine axial des dorsales lentes, qui explore deux mécanismes d'affaiblissement observés dans les échantillons: la serpentinisation (< 350°C) et la réduction de la taille des grains (>800°C). La combinaison de ces deux mécanismes permet la reproduction de failles de détachement dans une lithosphère épaisse (20-25 km), avec un relief et une fréquence qui sont consistantes avec celles observées sur notre zone d'étude
The Southwest Indian Ridge in its eastern part has particularly low magmatic inputs and is therefore a natural laboratory to study oceanic accretion in an extreme configuration for which the divergence of the plates is almost completely accommodated by large offset normal faults, also called detachment faults. These faults exhume mantle-derived peridotites. Very little is known about the deformation mechanisms that operate at the lower levels of the lithosphere, prior to serpentinization.We studied the deformation textures, analyze strain localization mechanisms, as well as mineralogical assemblages associated with these mechanisms from a corpus of almost 400 samples of serpentinized peridotites dredged during the SMoothSeafloor cruise (2010). All samples display heterogeneous deformation combining brittle (fracturation, kinks) and plastic mechanisms (undulose extinction, subgrain boundaries, dynamic recrystallization). For example, microfracturation and kinks are locally accompanied by partial recrystallization of the primary minerals into fine-grained aggregates along orthopyroxene grains. These textures result from high stress and high temperature conditions at the base of the lithosphere, where the root of the active detachment.We use these microstructural observations to constrain a 2D thermomechanical model of lithospheric extension, in which we explore two weakening mechanisms seen in the samples: serpentinization (temperatures < 350°C) and grain size reduction (> 800°C). Combining the two, we develop detachment faults in a thick lithospheric context (20-25 km), with fault topography and offsets that are consistent with geological observations in the eastern SWIR

Pour la première fois, une étude par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourrier et par microsonde ionique des minéraux majeurs de la croûte inférieure et des péridotites mantelliques a été entreprise afin de mieux caractériser les mécanismes d’incorporation et les teneurs en eau de ces minéraux nominalement anhydres, et de déterminer leurs compostions isotopiques en H, O, et Li pour retracer les échanges latéraux et horizontaux de l’eau dans la lithosphère continentale profonde. Les résultats montrent que: (1) Les minéraux nominalement anhydres, comme les pyroxènes et plagioclase, dans les granulites de la croûte inférieure contiennent de l’eau en trace essentiellement sous forme hydroxyles et accessoirement sous forme moléculaire, avec des concentrations (exprimées en poids H2O) allant de 200 à 2330 ppm pour les clinopyroxènes, de 60 à 1875 ppm pour les orthopyroxènes, de 65 à 900 ppm pour les plagioclases. Les teneurs calculées pour chaque roche totale d’après sa composition minéralogique et la teneur en eau des minéraux varient de 155 à 1100 ppm. (2) Les teneurs en H2O des minéraux majeurs et en roche totale de la croûte continentale inférieure sont manifestement plus élevées que celles du manteau lithosphérique sous-jacent, suggérant des variations verticales de la quantité d’H2O dans la lithosphère continentale profonde. Un tel contraste peut affecter de façon notable le comportement rhéologique de la lithosphère continentale. (3) Les rapports isotopiques de l’oxygène des pyroxènes étudiés, et probablement les roches totales, exprimés en [delta]18OSMOW , vont de ~ 4,5 à 12,5‰. Ceci indique la contribution de matériaux recyclés de la croûte continentale durant la pétrogenèse des échantillons ayant un TM18O élevé. (4) Les minéraux de la granulites sont caractérisés par des valeurs de élevées TMD, avec des valeurs de -80~-10‰ exprimées en [delta]DSMOW; les minéraux sont le plus souvent en équilibre les uns avec les autres lorsque l’on considère leurs compositions isotopiques moyennes. (5) Les compositions isotopiques du Lithium mesurée dans les minéraux de nos échantillons de granulites, exprimées en [delta]7Li par rapport à Lsvec, varient de -13 à +4.7 ‰. Ces valeurs sont donc pour la plus part inférieures à celles mesurées sur les MORB (2 – 6‰). La dispersion des valeurs reflètent l’hétérogénéité de la source des granulites, et les valeurs bassent resultent probablement de la perte par diffusion de Li pendant la mise en place des liquides silicatées provenant du manteau dans la croûte inférieure. (6) La grande hétérogénéité des teneurs en eau et en Lithium, et des compositions isotopiques de H-O-Li indique l’absence de circulation de fluide pervasive au travers de la croûte inférieure, qui aurait pour effet de supprimer les hétérogénéités à petite échelle et de les diminuer fortement à grande échelle
For the first time, systematic investigations of water content and H-O-Li isotopic compositions of minerals in lower crustal granulites, as well as water content of minerals in mantle peridotites, from eastern China have been carried out by Fourier transform infrared spectrometer and ion microprobe. The results show that: (1) Nominally anhydrous minerals, such as pyroxenes and plagioclase, in the lower crust generally contain trace amounts of structural water, with their content (H2O by wt.) varying from 200 to 2330 ppm for clinopyroxene, 60 to 1875 ppm for orthopyroxene, 65 to 900 ppm for plagioclase and 155 to 1100 ppm for the estimated bulk compositions. (2) Water contents of minerals in lower crustal granulites from eastern China, and their bulk values, are significantly higher than those in the underlying upper mantle, implying vertical heterogeneities of water distribution in the deep continental lithosphere; the contrast in water content even affect the rheological strength of the lithosphere. (3) The O-isotopic compositions of pyroxenes in the lower crustal granulites from eastern China are highly variable between different localities (~ 4.5 to 12.5‰, expressed in [delta]18OSMOW values), indicating variable influences from recycled crustal materials on their protoliths. (4) The H-isotopic compositions of granulite minerals from eastern China, are mostly in the range of -80 to -10‰ expressed in [delta]DSMOW values, and these minerals are usually in equilibrium with their [delta]D values. The relatively high [delta]D of granulite minerals may be related with degassing loss of H during the genesis of granulites. (5) The Li-isotopic compositions of granulite minerals from eastern China are usually in the range of -13 to 4.7‰, mostly lower than those of MORB (2-6‰). They reflect the source heterogeneity and are probably results of high-T Li diffusion during the intrusion of their original melts into the preexisting lower crust. (6) The large dispersion of Li and water contents and of H-O-Li isotopic results indicate the absence of any pervasive fluids in the lower crust

La Chaîne Hercynienne est un objet majeur de la tectonique européenne, néanmoins sa structure profonde demeure mal connue. Le Massif Armoricain est un segment préservé de cette chaîne, il présente une structuration NO-SE, parallèle à la direction générale de la chaîne dans cette région. Il est habituellement divisé en trois domaines séparés par deux zones de cisaillement majeures, les Cisaillements Nord- et Sud-Armoricains. Le Massif Armoricain présente l'avantage de n'avoir été affecté par aucun événement tectonique ou thermique important depuis les temps hercyniens et constitue donc un objet particulièrement intéressant pour l'étude d'une chaîne de collision ancienne. Dans le cadre du Programme GéoFrance3DARMOR2, deux expériences d'écoute sismologique passive ont été menées en 1997 et 1999 dans le Massif Armoricain. Les objectifs étaient : (1) la détermination de l'extension en profondeur des deux zones de cisaillement ; (2) la détermination de leur géométrie profonde ; (3) l'imagerie précise du complexe métamorphique des Nappes de Champtoceaux (roches de haute pression exhumées au stade précoce de la collision hercynienne). Les données collectées ont permis de modéliser l'anisotropie sismique et de construire un modèle tridimensionnel des variations de la vitesse des ondes P sous le Massif Armoricain. L'imagerie de la croûte ne permet pas de mettre en évidence l'enracinement supposé des Nappes de Champtoceaux. En revanche, les images obtenues pour le manteau supérieur montrent un signal clair interprété comme la signature d'une subduction à vergence nord qui se termine au Dévonien (~350 Ma) pour laisser place à un régime transpressif intense au niveau du Cisaillement Sud-Armoricain au début du Carbonifère. Ces mêmes résultats montrent que l'extension du Cisaillement NordArmoricain est limité à la croûte tandis que le Cisaillement Sud peut être suivi jusqu'à plus de 150 km de profondeur.

Les abondances en éléments sidérophiles du manteau terrestre indiquent une ségrégation du noyau dans un océan magmatique profond. Il est néanmoins difficile de contraindre les conditions d’oxydation prévalant lors de l’accrétion planétaire, en se basant sur les traceurs géochimiques, en raison du nombre important de paramètres qui affectent leurs partages entre métal et silicate. D’autre part, l’état d’oxydation des planètes peut évoluer au cours de l’accrétion. Par conséquent, la nature des matériaux accrétés lors de la formation des planètes reste incertaine. Afin d’apporter de nouveaux éléments de réponses à cette problématique, nous avons modélisé les équilibres chimiques ayant lieu dans la Terre primitive. Ces équilibres peuvent évoluer (i) en augmentant les conditions de pression et de température de la ségrégation du noyau lors de la croissance de la planète, (ii) en raison de la cristallisation de l’océan magmatique et (iii) à travers l’accrétion de matériaux hétérogènes de compositions et états redox différents. Nous avons exploré le rôle potentiel de l’érosion collisionnelle dans le contexte de l’accrétion de la Terre à partir de chondrites à enstatite. Pour cela, nous avons déterminé expérimentalement les compositions chimiques des liquides pseudo-eutectiques en fonction de la pression jusqu’à 25 GPa. Nous avons montré que ces premiers liquides sont très enrichis en SiO2 (jusqu’à 75 wt% SiO2) et en éléments alcalins (Na et K). Par conséquent, l’érosion collisionnelle de proto-croutes de planétésimaux formés de chondrites EH peut de manière efficace augmenter le rapport final Mg/Si du manteau terrestre et réduire ses concentrations en éléments alcalins volatils. Ce mécanisme peut donc concilier les différences compositionnelles entre la Terre et les chondrites à enstatite. Nous avons également déterminé expérimentalement le partage du soufre entre métal riche en fer et silicate. La concentration en soufre du manteau terrestre peut être expliquée par un équilibre entre manteau et noyau dans un océan magmatique profond. L’hypothèse de l’ajout de soufre dans un vernis tardif (Rose-Weston et al., 2009) n’est pas à exclure, mais il n’est pas indispensable pour atteindre la concentration en soufre du manteau. Ces résultats sont en accord avec les compositions isotopiques non chondritiques du soufre dans le manteau (Labidi et al., 2013). Le partage des éléments légers (S, Si, O) entre manteau et noyau a été modélisé à hautes pressions et températures en prenant compte de leurs interactions chimiques mutuelles et celles avec le carbone. En considérant 2 wt% S et jusqu’à 1.2 wt% C (comme il est suggéré par les études cosmochimiques), nous trouvons une solubilité de l’O comprise entre 1 et 2.4 wt%. Cette insertion de l’O dans le noyau n’est pas suffisante pour permettre à la Terre d’être à la fois accrétée de matériaux météoritiques oxydés et de posséder un noyau métallique d’une masse équivalente au tiers de la planète ainsi que 8 wt% FeO dans le manteau. Des conditions relativement réduites lors de la ségrégation du noyau sont également requises pour augmenter le taux de Si dans le noyau et expliquer le rapport Mg/Si super-chondritique de la Terre silicatée (Allègre et al., 1995; O’Neill et al. 1998). Ainsi, la Terre s’est plus probablement accrétée à partir de matériaux réduits comme les chondrites à enstatites, conduisant à un noyau constitué de 2 wt% S, 0 à 1.2 wt% C, 1 wt% O et 5.5 à 7 wt% Si. Nous avons également exploré le comportement du Fe lors de la cristallisation de la pérovskite magnésienne (le minéral le plus abondant du manteau terrestre) et son rôle sur l’état redox du manteau terrestre lors du refroidissement de l’océan magmatique. Nous avons montré que sa cristallisation induit une diminution du FeO dans le manteau solide, lors d’un équilibre avec un alliage de fer liquide à une fO2 de IW-2 en raison du caractère incompatible du Fe dans la pérovskite. (...)
Abundances of siderophile elements in the mantle indicate that the Earth’s core segregated in a deep magma ocean. Yet, it is unfortunately difficult to constrain the oxidation conditions prevailing during planetary accretion based on geochemical tracers due to the number of parameters playing a role in metalsilicate partitioning. In addition, the oxidation state of terrestrial planets can evolve during accretion. The nature of the accreted material during the formation of the terrestrial planets remains then still uncertain. Our strategy to improve our knowledge in this domain is to model the chemical equilibria taking place in the primitive Earth. The equilibria can evolve (i) as P-T conditions of core-mantle segregation increase with the size of the planet, (ii) due to crystallization of the magma ocean and (iii) with accretion of heterogeneous material of different composition and oxidation state. We explored the potential role of collisional erosion in the context of Earth’s accretion from Enstatite Chondrites. For this, we refined experimentally the chemical composition of pseudo-eutectic melts as a function of pressure up to 25 GPa. We show that the first melts are highly enriched in SiO2 (up to 75 wt% SiO2) and alkali elements (Na and K). Therefore, collisional erosion of proto-crusts on EH-planetesimals can efficiently increase their final Mg/Si ratio and decrease their alkali elements budget. It can help to reconcile compositional differences between bulk silicate Earth and Enstatite Chondrites. We performed new experiments on metal-silicate partitioning of sulphur. We show that the present-day sulphur concentration of the Earth’s mantle can be explained by core-mantle equilibration in a deep magma ocean. S-addition in a late veneer (Rose-Weston et al., 2009) cannot be excluded; however, it is not required in order to reach the S-mantel abundance. Our results are consistent with the non-chondritic S-isotopic nature of the mantle (Labidi et al., 2013). We modeled the core-mantle partitioning of the light elements (S, Si, O) at high pressures and temperatures, by taking into account of their mutual chemical interactions and that with C. With 2 wt% S in the core and a C concentration ranging 0 to 1.2 wt% (as evidenced with cosmochemical studies), we found the O solubility from 1 to 2.4 wt%. This O incorporation to the core is insufficient to both allow an Earth accretion from an oxidized meteoritic material and result in a planet composed of a core with a mass equivalent to the third of its mass and a mantle with 8 wt% FeO content. Reduced conditions during coremantle segregation are also required to enhance the Si content in the core, possibly up to 5 wt% Si, to explain the super chondritic Mg/Si of the bulk silicated Earth (Allègre et al., 1995; O’Neill et al. 1998). Altogether, we find that the Earth was most likely accreted from a reduced material, such as enstatite chondrites, leading to a core composed of 2 wt% S, 0 to 1.1 wt% C, 1 wt% O and 5.5 to 7 wt% Si. We investigated the role of Mg-perovskite (the most abundant mineral of the mantle) crystallization on the oxidation state of Earth’s mantle during cooling of the magma ocean. We show that its crystallization induces a decrease of FeO content of the solid mantle as Fe is incompatible in perovskite, when it is in equilibrium with a liquid Fe-alloy at an fO2 of IW-2. At these conditions, the Fe3+ insertion is also low and constant (Fe3+/ Fetot of 21 ±4 %). Hence, the Mg-Pv crystallization cannot be responsible for a substantial increase of the Earth’s mantle oxygen fugacity during core segregation. (...)

La découverte récente de roches mantelliques à l'affleurement en pied de marge continentale passive, à la limite entre la croûte continentale amincie et la croûte océanique, a remis en question les modèles d'extension de la lithosphère continentale. Deux approches ont été choisies ici pour essayer de comprendre les mécanismes d'amincissement de la lithosphère continentale et de remontée du manteau sous une zone de rift: (1) une approche expérimentale sur modèles réduits analogiques dimensionnés, comparés à des modèles analytiques et (2) une étude pétro-structurale des péridotites et des roches du socle continental de la marge profonde de la Galice. Les modèles montrent que la déformation de la lithosphère, assimilée à une multicouche fragile-ductile, est guidée par l'amplification d'instabilités dues à l'hétérogénéité verticale de la structure rhéologique; en extension, ces instabilités développent le boudinage des niveaux les plus résistants (croûte supérieure et manteau superficiel pour une lithosphère stable de 100 à 120 km d'épaisseur). Ce boudinage est accomodé dans les niveaux ductiles découplants (croûte inférieure et manteau lithosphérique) par la création d~ zones de cisaillement en faille normale. Le couplage des niveaux résistants contrôle la largeur et le degré de symétrie interne de la zone lithosphérique déformée. Ce modèle mécanique de formation des marges par boudinage montre en particulier que la remontée du manteau sous une zone de rift jusqu'à la surface peut être une conséquence directe de l'amincissement de la lithosphère; le dôme mantellique est symétrique, tandis que la structure interne de la lithosphère amincie peut être asymétrique. L'étude pétro-structurale des péridotites serpentinisées de la marge de la Galice a montré qu'elles ont subi une fusion partielle limitée dans les conditions du faciès à plagioclase, compatible avec une décompression adiabatique pendant leur remontée. Elles ont été mylonitisées pendant leur mise en place dans la lithosphère dans une zone de cisaillement à rejet normal à faible pendage vers le continent, puis ont subi une déformation cassante et une serpentinisation tardive en arrivant près de la surface. Cette évolution et la cinématique de la déformation sont compatibles avec la montée d'un dôme mantellique à l'aplomb de la zone ' lithosphérique amincie pendant la phase de rifting continental qui a précédé l'océanisation. Le modèle de boudinage est appliqué à la formation de la marge de la Galice, en tenant compte des contraintes apportées par la structure et l'évolution de la marge et des péridotites.