Le manteau terrestre s'étend de la surface de la terre jusqu'à une profondeur de 3000 km, il est constitué de silicates solides. A l'échelle des temps géologiques, c'est-à-dire pour des phénomènes qui durent plusieurs millions d'années, il est capable de fluer et d'entraîner les plaques tectoniques qui se déplacent à sa surface à des vitesses de l'ordre de 10 cm/an. La dynamique du manteau est ainsi au carrefour de différentes disciplines : physique des liquides pour comprendre la nature des écoulements, physique du solide pour connaître les variations radiales des propriétés du manteau, sismologie pour cartographier les hétérogénéités internes...

Les isotopes naturels sont utilisés dans le laboratoire pour la compréhension des processus géologiques et de certains processus biologiques essentiels de notre environnement. La dynamique des océans anciens, le rôle des fluides souterrains dans la genèse du pétrole et des minéralisations, les bilans chimiques d'érosion, la paléobiologie bénéficient de cette approche. Les processus internes, tels que l'origine des magmas, la formation des chaînes de montagne, la dynamique et l'évolution du manteau et des continents au cours des âges géologiques font également l'objet d'une recherche approfondie qui utilise les isotopes issus de la radioactivité naturelle. Les météorites nous renseignent sur l'histoire précoce du système solaire et de ses planètes. Le laboratoire est équipé du premier spectromètre de masse à source plasma commercialisé dans le monde.

Les matériaux de l'intérieur de la Terre sont soumis à des conditions de pression et température qui atteignent 364 GPa et 5500±2000 K au centre de la planète. La détermination expérimentale de la composition chimique, des structures et des propriétés des matériaux en fonction de la profondeur est essentielle, car elle conditionne les modèles de la dynamique interne de la planète : convection, flux géochimiques, bilan énergétique. Des expériences en cellules à enclumes de diamant et chauffage laser couplées à des sources de RX (ESRF) ou des spectromètres Raman permettent d'acquérir ces données. Les résultats récents portent sur la mesure des propriétés physiques de la perovskite MgSiO3, la réactivité des carbonates et le stockage du carbone dans le manteau, la stabilité des minéraux hydratés, la solubilité des gaz rares dans les magmas, les modèles minéralogiques du manteau terrestre et martien, l'amorphisation sous pression des minéraux.

L'objectif est, à partir de marqueurs tectoniques, métamorphiques, géochimiques et sédimentaires, de définir et de quantifier les transferts horizontaux et verticaux de matière et de chaleur survenant lors de la déformation de la lithosphère. Quatre thèmes sont spécifiquement abordés : processus de desépaississement et d'exhumation dans les chaînes de montagnes, extension de la lithosphère continentale, tectonique profonde des continents et transferts de fluides, imagerie 3D des structures géologiques.Les cibles privilégiées (Alpes, Massif Central Français, Massif de Bohême, marge de Galice, Himalaya) sont étudiées par l'acquisition de données temporelles sur des assemblages métamorphiques successifs, par des modélisations thermiques et mécaniques des processus de convergence et par l'analyse d'images satellitaires.

Les buts sont d'une part de déterminer les structures et rhéologies des lithosphères planétaires (Mars, Vénus, Mercure...) et d'autre part d'étudier les propriétés morphologiques (grabens, rides, cratères) de leurs surfaces. Les méthodes utilisées sont la télédétection et le traitement d'images obtenues par les sondes spatiales. Les travaux ont permis la mesure du degré géothermique passé de Callisto et la comparaison de l'épaisseur et de l'évolution des lithosphères de la Lune, Mercure, Mars, Vénus, Callisto et Ganymède.Plus récemment, les efforts se sont portés sur Mars pour estimer quantitativement le volume des réservoirs d'eau, préciser la composition chimique et minéralogique de la planète et enfin pour participer à la définition d'objectifs et de méthodes pour de futures missions spatiales.