Les variations du niveau de base entraînent une perturbation de la dynamique érosive d'un système continental. Une chute du niveau de base se traduit par la propagation d'une incision fluviatile vers l'amont entraînant un rajeunissement du paysage. Cette étude a pour but de montrer comment cette érosion affecte l'évolution d'un paysage, suivant les paramètres du système morphologique préexistant. Elle s'appuie sur un exemple préservé de chute du niveau de base de grande ampleur pendant la Crise de Salinité Messinienne en Méditerranée il y a 5.5 Ma. L'étude morphologique des incisions messiniennes couplée à une modélisation numérique montre qu'il existe une dichotomie entre la vitesse de croissance d'un réseau et ses effets sur l'évolution à long terme d'un paysage en présence d'une pente régionale préexistante. L'absence de pente régionale peut conduire à une modification drastique comme la capture de l'Atlantique au niveau de Gibraltar qui a entraîné la fin de la Crise Messinienne.

Le Tianshan est une des chaînes majeures d'Asie qui s'étend sur près de 2500 km de longitude avec des reliefs supérieurs à 7000 m. Il s'agit de l'orogène intracontinental le plus actif au monde issu d'une accrétion initiale au Paléozoïque suivie d'une réactivation majeure au Cénozoïque en réponse à la collision Inde-Asie. Mais l'âge exact d'initiation de la déformation cénozoïque reste mal contraint, ce qui est un obstacle important à la compréhension et à la détermination de l'évolution de la déformation en Asie. Les piémonts Nord et Sud du Tianshan sont constitués par deux remarquables prismes d'avant chaîne où les sédiments permiens au quaternaires des bassins flexuraux adjacents de Kuche et de la Junggarie sont très bien exposés. L'histoire de la construction du Tianshan peut être déterminée grâce à une étude de l'enregistrement sédimentaire facilement accessible au niveau des piémonts.<br />Ainsi, nous avons réalisé trois études magnétostratigraphiques le long des coupes de la Kuitun et de la Jingou He au Nord et le long de celle de Yaha au sud pour lesquelles nous avons identifié respectivement 16, 22 et 18 chrons magnétiques que nous avons corrélés à l'échelle de référence donnant des âges compris entre, 3.1 et 10.5 Ma, 8.5 Ma et 22 Ma et 5.2 et 12.6 Ma respectivement. Les vitesses de sédimentations déduites de ces corrélations montrent une accélération à ~11 Ma sur la coupe de Yaha et celle de la Jingou He qui présente également une accélération antérieure à ~15 Ma alors que les vitesses restent stables depuis ~10 Ma sur la coupe Kuitun. Nous avons également réalisé des études de la minéralogie magnétique et des mesures de l'ASM qui montrent des changements importants de la susceptibilité magnétique (Κ) et du paramètre de forme (T) à 21, 15 et 11 Ma sur les deux piémonts. A partir des changements de vitesses de sédimentation, contraint par ailleurs par ceux des paramètres magnétiques, nous pensons que la surrection du Tianshan a probablement débuté vers 15 Ma puis s'est accélérée à ~11 Ma, ce qui est cohérent avec les études précédentes réalisées sur la zone suivant d'autres méthodes.<br />A partir de modèles structuraux des piémonts et des basins de la Junggarie et de Kuche, associés aux âges magnétostratigraphiques et à des datations U-Th/He de grains d'apatites et zircons détritiques , nous déterminons également: (1) l'âge d'activation et les vitesses de déformation de certaines structures des piémonts, (2) les flux et vitesses sédimentaires et (3) l'évolution des taux d'érosion. Nous discutons et décrivons ainsi l'évolution cinétique et cinématique des piémonts et de la haute chaîne.

Afin de comprendre l'évolution, la géométrie et le mécanisme des déformations récentes (<10 Ma) du socle européen depuis le massif cristallin externe de l'Argentera jusque sur la marge nord-Ligure, des analyses thermochronologiques par traces de fission (apatites/zircons), géomorphologiques et des interprétations de profils sismiques ont été réalisées.<br />Une dénudation du massif est enregistrée vers 22 Ma, certainement en relation avec la structuration de l'arc de Castellane au Miocène moyen-supérieur, qui se poursuit localement vers 6 Ma par dénudation le long de la faille du « Camp des Fourches ». Plus globalement un soulèvement à 0,8 mm/a (30°C/km) est enregistré à 3,5 Ma et suivi tardivement par un mouvement inverse le long de la faille de Bersézio/Veillos à 1 mm/a. Malgré une forte emprunte d'érosion glaciaire présente sur le massif, l'analyse géomorphologique conforte ces derniers résultats. A partir d'un modèle d'évolution de processus de surface, le taux d'érosion associé est estimé localement à 1 mm/a et semble aujourd'hui plus important sur le bassin versant oriental du massif.<br />D'après l'analyse de 70 profils sismique-réflexion, la déformation de la marge nord-Ligure serait liée à la propagation d'un chevauchement aveugle jusque dans les formations salifères messiniennes du bassin.<br />Cette déformation récente compressive de l'avant-pays alpin est guidée par une tectonique de socle le long de structures héritées et fait suite à l'exhumation des roches THP dans les zones internes.

La pollution des rejets urbains de temps de pluie est liée aux dépôts des réseaux dassainissement unitaires et notamment aux stocks de matière organique situés à linterface eau/sédiment. Lobjectif de cette thèse est daméliorer les connaissances vis-à-vis des stocks organiques à l'interface eau/sédiment. Deux méthodes d'observation ont été utilisées :<br />- un endoscope a permis d'identifier et de localiser deux types d'interface organique (une couche immobile à Paris et à Marseille, et des solides en déplacement près du fond à Dundee et à Hildesheim)<br />- une boite d'observation encastrée dans un collecteur parisien a permis de montrer que la couche organique immobile située à l'interface eau/sédiment est hétérogène, quelle abrite une activité biologique, quelle se forme rapidement par temps sec puis se stabilise, quelle subit des remaniement locaux en surface et enfin, que, lors daugmentations de débit, elle est partiellement érodée et transportée par suspension et par charriage.

Dans les regions orogéniques, l'accent a été très souvent mis sur la description des plis, des chevauchements et autres structures associées. Si les bassins avant-pays sont mieux documentés, en revanche, les autres structures flexurales liées au raccourcissement sont très peu décrites. De plus, les relations entre structures compressives, en général, et le processus d'érosionsédimentation ne sont quasiment pas abordées. Le but de ce travail consiste donc à chercher: 1) dans un contexte de raccourcissement horizontal et d'épaississement vertical de la croûte, les relations entre l'érosion-sédimentation et les structures compressives, 2) pourquoi les structures flexuralés (en particulier intrachaîne) sont si rarement décrites. Une série d'expériences analogiques de compression crustale et supracrustale ou lithosphérique nous a permis de faire de nombreuses observations. Un chevauchement mis en place, avec érosion au toit et sédimentation au mur, voit son activité se prolonger. Au cours de cette évolution synsédimentaire, le chevauchement acquiert une géométrie listrique de plus en plus accrue. Cette évolution peut aussi s'accompagner de la mise en place des structures chevauchantes secondaires où la propagation est très souvent rétrograde. Ces chevauchements peuvent limiter une structure flexurale sur une seule de ces bordures. ~a subsidence y est accentuée par la sédimentation et l'évolution de cette structure asymétrique (de type avant-pays) peut aboutir à un enfouissement profond des sédiments le long des chevauchants limitrophes. Les structures flexurales peuvent aussi se trouver limitées de part et d'autre par des chevauchements de vergences opposées et convergentes. On a ainsi, à chacune des bordures, une évolution proche de celle d'une structure d'avant-pays. Mais, dans ces conditions, en fonction de la distance entre failles opposées, les structures peuvent finir par se "suturer" en surface piégeant ainsi le bassin compressif (généralement intramontagneux) qui peut demeurer inconnu.

Dans les systèmes chevauchants la tectonique, l'érosion et la sédimentation interagissent pour créer des reliefs et des bassins syntectoniques. Le but de ce travail est d'aider à mieux comprendre et quantifier le contrôle exercé par ces trois phénomènes sur 1) la morphologie des reliefs; 2) la localisation des dépôts sédimentaires et les types de dépôt; 3) la localisation de la déformation. Dans ce but, et dans la première partie de mon travail, j'ai procédé au développement d'un modèle numérique comportant une simulation de la croissance incrémentale des plis par propagation de faille, couplée à une loi de diffusion rendant compte des transports superficiels (érosion et sédimentation). Ceci permet d'étudier la répartition de l'érosion et de la sédimentation en fonction de l'activité tectonique et des relations entre plissement/chevauchement. La mise en oeuvre des modélisations permet aussi une analyse de l'évolution des systèmes chevauchants. L'application à l'exemple du Subandin de Bolivie, montre que 1) L'évolution du prisme tectonique et la formation des grands bassins sont pour une grande part contrôlées par la géométrie du prisme initial ainsi que par celle du plan de décollement régional; 2) Les phénomènes superficiels qui permettent la formation de vastes bassins syntectoniques influencent la localisation de la déformation, en contrôlant la géométrie de la surface du prisme. Dans la seconde partie de ce travail la méthodologie mise au point, est appliquée aux Siwalik de l'Ouest Népal. Dans cette région, où le système chevauchant est de mieux en mieux contraint par des études de terrain, on observe également de vastes bassins transportés inégalement répartis sur la zone d'étude. Les modélisations montrent que le paramètre contrôlant au premier ordre le développement des bassins transportés est le pendage du plan de décollement. Un fort pendage du plan de décollement, qui induit une forte épaisseur des écailles tectoniques, favorise l'apparition de vastes bassins transportés. Dans le cas contraire, où le pendage du plan de décollement est faible, la forte pente de surface du prisme favorise l'érosion et les réactivations hors séquence. Ces résultats sont confirmés grâce aux coupes équilibrées effectuées dans l'Ouest Népal qui montrent que les bassins transportés se développent au-dessus d'un prisme tectonique épais (5500 m), alors que là où le système tectonique, incorporant des écailles, n'est plus épais que de 4000 m, on observe des réactivations d'un chevauchement interne. Les modélisations montrent , aussi, que le développement latéral des structures frontales par le biais de plis par propagation de faille, contrôle les morphologies du synclinal et du crêt situes en position interne. Ceci est confirmé par une étude morphostructurale qui montre que la structure frontale est constituée de tronçons assez courts qui se relaient et que la sédimentation et la morphologie du système sont contrôlés par ces relais. Dans les Siwalik de l'Ouest Népal, existe une lacune de sismicité, et les vitesses de raccourcissement instantanées sont faibles (2-7 mm/an). L'étude des terrasses alluviales des bassins syntectoniques, montre 1) que le remplissage holocène du Dun de Deukhury est largement dépendant de la localisation de l'activité tectonique le long des chevauchements limitant ces bassins, et formant des "barrages tectoniques"; 2) que l'enregistrement des variations climatiques est masqué par l'importance des phénomènes tectoniques; 3) que les vitesses de surrection de ces terrasses alluviales, déduites de datations au C14, permettent de calculer des vitesses moyennes de raccourcissement de l'ordre de 15 à 20 mm/an pour la période holocène; 4) qu'il existe de nombreuses réactivations hors séquence, se localisant le long d'un chevauchement intermédiaire, le MDT. Les faibles déformations actuelles déduites de mesures GPS ne sont donc pas représentatives de la déformation de cette partie de la chaîne himalayenne sur une longue période. Ces différences de vitesses entre déformations actuelles et déformations moyennes telles qu'elles sont enregistrées dans cette partie du Népal, témoignent d'un rallentissement momentané de la déformation qui pourrait être en accord avec une période intersismique d'un cycle sismique. Des périodes de relatif calme tectonique comme la période actuelle pourraient être suivies de période où l'activité tectonique est plus intense (le futur proche?). L'alternance de la localisation du raccourcissement le long des structures chevauchantes, frontales ou en position plus interne, suivrait un cycle de quelques milliers d'années. Une étape du cycle serait caractérisée par une activité tectonique concentrée sur le chevauchement frontal; une autre étape verrait l'activité tectonique se répartir équitablement entre la structurefrontale et un chevauchement en position interne.

L'érosion, au même titre que la tectonique et le climat, est un acteur majeur de l'évolution des paysages. En effet dans les zones non-englacées, les rivières sont responsables de l'essentiel de l'érosion et du transport de masse à la surface de la Terre, qui sont des processus clés dans la dynamique orogénique. La mise en mouvement des matériaux constituant la charge de fond des rivières (sables, galets...) est sans doute un des principaux agents de transport et d'incision fluviale. Malgré le rôle prépondérant de la charge de fond, aucune méthode n'est totalement satisfaisante pour sa quantification. Les nombreuses stratégies actuellement employées nécessitent une installation in situ (dans les rivières) des dispositifs de mesures, qui ne peuvent être mis en œuvre que ponctuellement pour des conditions hydrodynamiques faibles à modérés. Cette limitation est problématique car l'essentiel de la charge de fond est mobilisée lors d'événements extrêmes. Une meilleure compréhension des processus d'érosion fluviale implique donc le développement d'un outil autorisant un suivi temporel continu avec une large couverture spatiale. Cette thèse explore le potentiel offert par la mesure et l'analyse du bruit de fond sismique produit par les rivières. À partir des données acquises au cours de l'expérience sismologique Hi-CLIMB, le potentiel d'une telle approche est testé le long de la rivière trans-himalayenne Trisuli (pour des sismomètres installés jusqu'à 2 km de la rivière). Pendant la mousson 2003, l'analyse spectrale des signaux continus montre une augmentation de plus de 20 dB et une cohérence entre la variation temporelle du bruit sismique dans la gamme en fréquence 3-15 Hz avec l'évolution temporelle des paramètres hydrologiques. En particulier, l'observation d'une hystérésis annuelle entre la hauteur d'eau et l'amplitude du bruit sismique prouve que la turbulence de l'eau n'est pas l'unique source de bruit et confirme la signature des mouvements de la charge de fond dans le signal sismologique. En appliquant des techniques basées sur la corrélation de bruit sismique entre paires de stations, et à l'aide de modélisations numériques, nous montrons également que ce transport solide se localise préférentiellement au front de la Haute-Chaîne, là où les taux d'incision sont élevés. Enfin, l'analyse spectrale révèle également un intérêt pour la détection et la localisation des processus de pente, nombreux en Himalaya (46 coulées de débris observées le long de la Trisuli pendant la saison des pluies 2003). Cette étude ouvre la voix d'une nouvelle approche permettant le suivi spatio-temporel de ces phénomènes et l'estimation des volumes érodés qui alimentent les rivières en sédiments. Afin d'explorer le domaine d'application de cette approche, le suivi sismique d'un torrent de montagne ayant une capacité de transport plus réduite a été réalisé dans le Massif des Écrins. Le traitement des données sismologiques et hydrologiques acquises durant les étés 2007 et 2008 met en évidence des corrélations entre la variation temporelle des débits liquides, solides et celles du niveau de bruit à haute-fréquence (2-90 Hz). Il apparaît que pour ce type de rivière les sismomètres doivent être installés à des distances de la rivière inférieures à 50 m pour détecter le signal généré par les fractions les plus fines de grains en mouvement. Un éloignement supérieur diminuera l'aptitude à les détecter. Cette dernière étude a mis en évidence la nécessité d'effectuer des expériences de calibration sur le terrain et en laboratoire. Partiellement initiée durant cette thèse, la calibration doit permettre de mieux exploiter la richesse du signal sismologique. À l'avenir, la recherche d'un site naturel, où les suivis hydrologiques et géomorphologiques denses sont effectués, est nécessaire pour calibrer un outil permettant de quantifier le transport de la charge de fond dans les rivières

La Cordillère Principale des Andes semi-arides est un relief transitoire qui se developpe suite au soulèvement des Andes initié à l'Oligocène. L'altitude des pédiments de la Cordillère Principale par rapport à ceux de la Cordillère de la Côte indique que ce soulèvement a atteint deux kilomètres. Ce qui se marque par de profondes vallées incisés (~2 km) qui se sont développées dans la haute cordillère depuis six millions d'années. Les volumes incisés de ces vallées et la concentration de 10Be des sédiments fluvio-glaciaires indiquent des vitesses d'érosion de l'order de trente a soixante-quinze mètres par million d'années, des valeurs qui sont relativement constantes depuis les six derniers millions d'années. Pendant cette période la dynamique de transfert de matière a été modulée par l'érosion glaciaire et l'exportation des sédiments fluvio-glaciaires vers l'aval des fronts glaciares plio-quaternaires.

Mon activité de recherche concerne la dynamique des sédiments cohésifs, appliquée aux écosystèmes côtiers et continentaux. Du fait de son impact sur le transit des polluants et la dégradation des sols, cette activité figure au coeur des missions de l'Institut de Recherche pour le Développement auquel j'appartiens. La dégradation de la quantité et de la qualité des sols constitue un enjeu de Société, notamment en terme de sécurité alimentaire. Les principaux résultats de recherche obtenus concernent : 1. les processus physiques de dépôt des sédiments cohésifs dans les systèmes aquatiques naturels (laboratoire et estuaire de la Gironde) 2. la vulnérabilité de l'écosystème côtier aux modifications géomorphologiques (Guyane) 3. la dégradation des écosystèmes continentaux semi-arides par érosion des sols (France et Mexique) 1. Le premier thème de recherche a essentiellement été abordé sous un angle expérimental et analytique en étroite collaboration avec M. Mory, H. Michallet (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels, Grenoble) et A.Manning (Marine Institute of the University of Plymouth, UK) dans le cadre du projet européen COSINUS. Les avancées principales attraient à la floculation des sédiments fins et la dynamique des fluides stratifiés particulaires en milieux naturels (rivière, lac, estuaire, côte). Le flux massique de dépôt des sédiments croît fortement avec la concentration en matière solide C dans la gamme [0-1] g.l-1. La diminution de la distance inter-floc (d/Df ~O(10)) entraîne une augmentation du nombre de chocs et favorise la floculation. Pour des concentrations plus élevées (1-5 g.l-1), nous avons pu montrer expérimentalement que l'augmentation drastique du nombre de collisions ne modifiait pas le caractère constructif (floculation) des collisions et cela, même dans des conditions de turbulence significatives (Gratiot and Manning, 2004 ; 2007a ; 2007b). Pour des concentrations dans la gamme C=[5-100] g.l-1, le comportement des sédiments cohésifs nécessite une approche multidisciplinaire alliant la physique des flocs, la mécanique des fluides et la rhéologie. Du fait des difficultés d'instrumentation inhérentes aux crèmes de vase (très forte concentration, mesures très près du fond), nos contributions les plus significatives sur le dépôt des sédiments cohésifs ont été obtenues en laboratoire (Gratiot et al., 2005) puis ont été appliquées sur l'estuaire de la Gironde dans le cadre d'une collaboration avec l'UMR Environnements et Paléoenvironnements OCéaniques (EPOC, Bordeaux) et le Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI, Grenoble) (Sottolichio et al., submitted). Nous avons pu montrer que l'évolution du flux de chute des sédiments ws C ) varie de plusieurs ordres selon la nature des sédiments (cohésifs ou non cohésifs), le régime de l'écoulement (laminaire ou turbulent) et la concentration. 2. A plus grande échelle, nous nous sommes intéressés à la dynamique de l'écosystème côtier du plateau des Guyanes (Amérique du Sud). Ce travail s'est fait en interaction avec différents acteurs de la recherche (acteurs du Programme National d'Environnement Côtier : chantier Guyane), de l'Observation de la Terre depuis l'espace (CNES-CSG) et de la protection de la Nature (WWF, association Kwata). Le développement de méthodes de suivi de l'écosystème et le couplage des approches de laboratoire et de terrain ont conduit à des avancées quant à la migration des bancs de vase (Baghdadi et al., 2004 ; Gardel and Gratiot, 2005, 2006 ; Gratiot et al., 2007 ; Anthony et al., 2008 ;Gratiot et al., 2008), la colonisation de la frange côtière par la mangrove (Fiot and Gratiot 2006 ; Proisy et al. 2009) ou encore la vulnérabilité de l'écosystème à la dynamique côtière (Lefebvre et al. 2004 ; Gratiot et al., 2006 ; Kelle et al., 2007, 2009). Le résultat le plus original précise le rôle du cycle nodal de marée (à 18.6 ans) sur la vulnérabilité côtière, avec des extrapolations possibles à l'échelle planétaire (Gratiot et al., 2008). 3. Depuis mon intégration au sein de l'équipe RIVER du Laboratoire des Transferts en Hydrologie et Environnement (jan. 2005), j'aborde la dynamique sédimentaire en milieu continental semi-aride. Deux sites pilotes (BV de la Bléone, France ; BV de Cointzio, Mexique) ont été retenus et sont soutenus au plan national (projet ANR STREAMS, 2007-2009) et international (projet Européen DESIRE, convention IRD-Univ. National. Auton. de Mexico, 2007-2011). Le suivi en continu du réservoir de Cointzio a révélé un fonctionnement hydro-sédimentaire particulièrement contraignant, tant pour l'écosystème que pour les gestionnaires. Situé dans un environnement de pluie tropicale de montagne, les caractéristiques morphométriques du réservoir (profond et de faible volume) amplifient les variabilités locales. L'écosystème lacustre s'adapte donc à des conditions environnementales très contrastées au cours de l'année (Susperregui et al., 2009 ; Némery et al., 2009). L'évolution pluri-décennale du cycle de l'eau sur le bassin versant de Cointzio a, quant à elle, révélé une augmentation significative de la contribution des eaux de ruissellement vis-à-vis des eaux de nappes (Gratiot et al., 2010). Cette évolution est une conséquence directe et préoccupante des changements anthropiques engagés depuis les années 1970. Les travaux en cours visent à caractériser les temps de résidence des sédiments, les flux sédimentaires et biogéochimiques associés, en couplant approches hydro-sédimentaire et de traçage (par éléments majeurs, par spectrométrie et par datation isotopique) (Duvert et al., 2009 ; Evrard et al., in prep.). Par la suite, l'inter comparaison des bassins versants de la Bléone (France) et de Cointzio (Mexique) devrait permettre des avancées significatives quant à l'optimisation des protocoles d'échantillonnage (Borga et al., 2008 ; Némery et al., 2010) et la définition des invariants qui gouvernent la dynamique sédimentaire des bassins versants de meso-échelle.

Dans un cadre stratigraphique revu le remplissage miocène du bassin molassique rhodano-provençal (BMRP) a été découper en 10 séquences de dépôt (IIIrd). Trois grandes phases d'érosion fluviatile ont été caractérisées : entre l'Aquitanien et le Burdigalien inférieur et entre le Burdigalien terminal et le Langhien puis à la base du Tortonien. Les transgressions marines miocènes du BMRP sont contrôlées par l'existence de ces réseaux fluviatiles successifs. Un modèle séquentiel haute fréquence du remplissage par des carbonates bioclastiques de faciès « foramol » du premier complexe de vallées incisées est proposé. Ces réseaux miocènes qui alimentent la plate-forme et le talus du golfe du Lion permettent de mieux comprendre comment l'ouverture du Golfe du Lion, son ralentissement puis son arrêt interagissent avec le raccourcissement alpin. Les vallées aquitano-burdigaliennes sont généralement superposées et emboîtées dans les dépôts oligo-aquitaniens. Ils sont en relation direct avec l'héritage morphostructural de ce bassin d'avant-pays et signent une déformation régionale de grande longueur d'onde rapportée à une remise en compression à la base du Miocène. Les réseaux suivant en quasi-conformité avec les structures pyrénéo-provençales sont en relation avec l'activation des plis et des chevauchements et signent une déformation plicative de plus courte longueur d'onde associée pour le réseau du Burdigalien terminal à un soulèvement régional. Leur superposition souligne la pérennité d'un contrôle tectonique. Leur déboîtement est la conséquence de l'activation des plis et des chevauchements provoquant la migration des dépôts-centres et des réseaux successifs de vallées dont cette déformation amplifie le creusement.