Une approche pluridisciplinaire (tectonique, géomorphologie, géophysique, forage, datation 10Be...) a été entreprise afin de caractériser les déformations tectoniques récentes en Provence. Elle a consisté à comprendre la mise en place et l'évolution des structures potentiellement sismogènes, de quantifier les taux de déplacement plio-quaternaires, et d'étudier les relations entre tectonique et érosion dans ce type de contexte présentant une déformation lente. Si les déformations pliocènes à actuelles sont contrôlées par la dynamique de la chaîne alpine, les structures résultent essentiellement de la phase de déformation pyrénéo-provençale, de la fin du Crétacé à l'Eocène moyen ; la phase « alpine » d'âge Miocène étant exprimée essentiellement entre la faille de la Moyenne Durance et celle de Salon-Cavaillon (e.g. Luberon, Trévaresse...). Les vitesses de déplacements calculées grâce à la déformation de marqueurs géologiques et géomorphologiques résultant de la crise de salinité messinienne et/ou des cycles glacio-eustatiques quaternaires sont souvent inférieures à 0,1 mm/an. Cette déformation peut-être enregistrée par des marqueurs géologiques très récents, bien que la morphologie actuelle de la région soit contrôlée essentiellement par les processus d'érosion.

L'analyse dans des dépôts anciens des isotopes cosmogéniques in-situ, déjà largement employés dans les sédiments de rivières actuelles, a le potentiel de fournir des enregistrements haute résolution, sur des échelles de temps de 10 Ma, de taux de dénudations intégrés sur des bassins versant entiers. Nous avons étendu avec succès cette méthode à des sédiments des piedmonts du Tian-Shan (Chine) et de l'Himalaya (collines Siwaliks, Népal). Ces deux zones sont au coeur de débats sur l'évolution des relations climat/érosion/tectonique depuis ~10 Ma. Quatre sections au Tian-Shan, couvrant ~9 Ma, et une large étendue spatiale autour de cette chaîne, ne montrent pas de brusque accélération de l'érosion il y a ~3-5 Ma. Au contraire, nous observons à l'échelle régionale une augmentation progressive (× 4 entre 9 et 4 Ma) puis une stabilisation entre 4 Ma et l'actuel. Ces résultats suggèrent une influence limitée des cycles glaciaires quaternaires sur les taux d'érosion dans cette zone. Un enregistrement dans les sédiments himalayens ne montre également pas d'augmentation significative de l'érosion depuis ~6.5 Ma. Il est en revanche probablement le témoin de réorganisation des systèmes de drainages et d'évolutions tectoniques dans cette région. Avec ces études, nous avons ainsi pu produire pour la première fois des enregistrements haute résolution de taux d'érosion depuis ~10 Ma, grâce aux isotopes cosmogéniques. Cette méthode étant potentiellement applicable dans de nombreux contextes géologiques et climatiques, elle permettra indubitablement des avancées importantes dans la compréhension des processus de surface actuels et passés.

The Cairngorm Mountains contain an outstanding assemblage of glacial landforms from both the deglaciation of the last British Irish Ice Sheet and the Younger Dryas readvance. Glaciers are recognised as sensitive indicators of past and present climate change and, thus, these landforms provide information about past climate and glacier-climate interaction that can be used to contextualise the present climate change. Previous interpretations have left doubt over the extent and style of the Younger Dryas readvance. In addition, the pattern and timing of deglaciation in the southern Cairngorms and, particularly, how local and external ice masses interacted is unclear. New geomorphological mapping from aerial images and fieldwork has been compiled in a GIS for a 600km2 area of the Cairngorm Mountains. This has allowed a complex pattern of ice-dammed lakes and local and regionally sourced ice margins to be reconstructed during the retreat of the last British Irish Ice Sheet. The mapping has been combined with new cosmogenic surface exposure ages taken from areas of hummocky moraine previously subject to differing age interpretations. The effect of moraine denudation on apparent 10Be ages has been checked by inverse modelling of the 10Be concentration vs. boulder height. The results indicate more extensive Younger Dryas glaciation, with glacier reconstructions and equilibrium-line altitudes (ELAs) comparable with the surrounding areas. Reconstruction of both valley and plateau-fed glaciers are presented, with modelling of local topoclimatic factors, such as radiation, avalanche and snow drifting, combined with precipitation gradients, explaining most of the variation within the glacier ELAs. The geomorphological evidence and palaeoclimatic inferences are important, alongside a growing number of palaeoglaciological studies, in acting as evaluation areas for current numerical models of ice-sheet growth and decay.

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.

L'objectif de cette étude est d'évaluer la part de l'empreinte glaciaire dans les paysages de la haute montagne aux latitudes moyennes. Peut-on transposer au Quaternaire la très grande efficacité de l'érosion glaciaire mesurée actuellement dans certaines montagnes et faire de cet agent le principal acteur de la morphogenèse ? Doit-on au contraire constater une forte résilience des paléoformes tertiaires et donc la faiblesse relative de l'érosion glaciaire ? Le domaine est-pyrénéen offre un terrain privilégié en raison du fort contraste nord-sud qui caractérise l'emprise spatiale et l'impact géomorphologique des paléoenglacements quaternaires. Deux axes de recherche complémentaires structurent ce travail. Le premier concerne la chronologie et la paléogéographie des glaciations quaternaires. Une cartographie géomorphologique détaillée permet de reconstituer les paléoemprises glaciaires. La production et l'exploitation de 81 datations 10Be fournissent une nouvelle vision du cycle würmien et contribuent au débat sur le caractère synchrone ou asynchrone des paléoenglacements de montagne, donc de la réponse continentale aux changements globaux. Sur ces bases chronologiques et cartographiques, le deuxième axe de ce travail vise à mesurer la variabilité spatio-temporelle de l'empreinte géomorphologique des glaciations. Il est possible (i) d'apprécier, pour le cycle würmien, la tranche érodée globale (~ 5 m) et la variabilité temporelle de l'érosion glaciaire grâce à la quantification du volume sédimentaire mobilisé sur le Sud Carlit, (ii) de mesurer et tenter d'expliquer la variabilité spatiale de l'empreinte glaciaire quaternaire à travers une analyse morphométrique de l'ensemble des cirques du domaine d'étude.

L'Himalaya est un prisme orogénique cylindrique, répondant dans son ensemble aux caractéristiques du prisme de Coulomb. Ainsi, la localisation de la déformation s'effectue principalement au front du prisme et les chevauchements transportés ne sont affectés que par de faibles réactivations hors séquence. Cependant, la terminaison ouest de la chaîne himalayenne, appelée syntaxe nord-ouest himalayenne, apparaît comme une singularité. Cette région correspond à une zone d'interaction entre différentes directions de déformation, avec, d'est en ouest, la chaîne du Pir Panjal au sud du bassin du Cachemire orientée NW-SE, la syntaxe d'Hazara-Kashmir et la chaîne des Salt Range orientée E-W, et la chaîne des Sulaiman Range orientée NE-SW. La séquence normale de déformation dans la syntaxe nord-ouest himalayenne n'est pas respectée : une activité hors séquence importante, caractérisée par une déformation accommodée sur des structures internes au front de la chaîne, a été mesurée dans la chaîne des Salt Range par l'étude structurale de la région. De plus, la chaîne du Pir Panjal présente une activité tectonique hors séquence à l'échelle du cycle sismique : le séisme du Kashmir de magnitude Mw = 7.6 du 8 octobre 2005 s'est produit sur la faille de Balakot-Bagh (extrémité nord-ouest du Medlicott Wadia Thrust, MWT) située à plus de 100 km du front de la chaîne. Ces observations posent deux interrogations : (i) la déformation hors séquence observée dans la syntaxe nord-ouest himalayenne à l'échelle du cycle sismique et à l'échelle long terme existe-t-elle à l'échelle intermédiaire ? (ii) la configuration géométrique de la syntaxe nord-ouest himalayenne favorise-t-elle la déformation hors séquence observée ? Pour répondre à ces questions nous avons entrepris une étude de terrain morphotectonique afin de caractériser la déformation dans la chaîne du Pir Panjal. Pour cela, nous avons cartographié le long de la rivière Chenab 7 niveaux de terrasses d'abrasion au toit du MWT, et trois événements d'aggradation régionaux que nous avons datés grâce à trois méthodes (53 échantillons 10Be, 6 OSL et 4 14C). Ces remplissages se terminent aux environs de 35 ka, 15 ka et 3.5 ka à la fin d'épisodes de moussons intenses. La topographie de ces terrasses a été mesurée grâce au GPS cinématique et une station totale, et leur déformation montre qu'il existe actuellement deux structures actives dans cette région : la structure frontale qui conduit au développement d'un anticlinal, et un grand chevauchement situé 20 km en position interne : le Riasi Thrust (portion du MWT). La majorité du raccourcissement, qui atteint 16 mm/an dans la région, est accommodée par le Riasi Thrust avec un déplacement sur la faille compris entre 10 et 14 mm/an. Le reste étant principalement accommodé sur la structure frontale. L'étude du chevauchement situé encore en position interne, le Main Boundary Thrust, a montré que cette structure n'est plus active depuis 15 ka. En parallèle, nous avons réalisé une série de 24 expériences analogiques en utilisant une boîte à sable dont la géométrie des bordures reproduit la partie externe de la syntaxe nord-ouest himalayenne et en faisant varier la rhéologie basale et les épaisseurs de matériaux. Ces expériences ont montré un important raccourcissement perpendiculaire à la direction de convergence, et une influence de cette géométrie des conditions aux limites sur la séquence de déformation : le pourcentage de déformation hors séquence est plus important dans ce cas que dans celui d'un prisme cylindrique. Notre étude montre donc que la déformation hors séquence dans la syntaxe nord-ouest himalayenne existe aussi sur une échelle de temps intermédiaire entre le cycle sismique et le long terme. Nous l'expliquons en partie comme une caractéristique de la déformation d'une forme en syntaxe. D'autres mécanismes tels que l'érosion due à de fortes précipitations locales et un héritage structural pourraient également être envisagés.

Cette recherche porte sur les interactions entre la tectonique, le climat et les processus géomorphologiques de la surface de la Terre à travers l'étude des terrasses fluviales au Venezuela et l'Albanie. Ces deux domaines ont été soumis à une surrection modérée, aux variations climatiques du Quaternaire et fournissent un large registre de terrasses fluviales. Ces contextes donnent l'opportunité d'étudier la dynamique de la formation des terrasses fluviales à l'échelle de temps 102-105 ans. Ainsi, une approche morpho-chronologique a été appliquée afin de parvenir à une meilleure compréhension de cette dynamique dans les rivières du Venezuela et de l'Albanie.Dans le système des rivières Pueblo Llano et Santo Domingo situé sur le flanc sud-est des Andes de Mérida au Venezuela, douze terrasses fluviales ont été identifiées pour les derniers 200 ka. Les mesures des concentrations du 10Be réalisées sur les dépôts fluviatiles et glaciaires ont permis d'estimer l'âge d'exposition de sept terrasses et d'un complexe de moraines frontales. Un modèle dynamique de terrasses soutenues par ces datations et des données géomorphologiques, stratigraphiques et sédimentologiques, indique que la formation de terrasses est principalement contrôlée par des variations climatiques de haute fréquence (103 à 104 ans) qui induisent un déséquilibre entre capacité de transport de l'eau et apport des sédiments. Néanmoins, le type de réponse a été très lié à l'altitude du site et l'influence des glaciers en amont. En effet, dans la partie supérieure du système, la succession des phases d'aggradation et d'incision a été synchronisée avec la succession des périodes froides-sèches et chaudes-humides, tandis que la partie inférieure du système montre une tendance opposée. Basé sur la restauration temporelle du taux d'incision de la partie inférieure du système, un taux de surrection de 1.1 mm/an au cours des dernières 70 ka a été estimé pour le flanc sud-est des Andes de Mérida. En outre, l'identification et la datation d'un complexe de moraines frontales situé à l'altitude de 2300 m au dessus du niveau de la mer met en évidence le fait que l'avancée glaciaire au cours du Dernier Maximum Glaciaire, dans d'autres domaines des Andes de Mérida, pourrait également avoir atteint des élévations inférieures à celles déjà signalés entre 2900 et 3500 m au dessus du niveau de la mer.En Albanie, les six principales rivières ont été analysées. De nouvelles données géomorphologiques et géochronologiques ont été intégrées aux données publiées afin de proposer un cadre stratigraphique et chronologique homogène à l'échelle régional pour les derniers 200 ka. Sur la base de ce cadre, l'âge de la formation de onze terrasses fluviales régionales a été établi. En Albanie, les processus de formation des terrasses ont également été principalement contrôlés par des variations climatiques de haute fréquence (103 à 104 ans). Néanmoins, les résultats montrent également que la réponse géomorphologique du système fluvial était probablement modulée par la taille des bassins versants et par les variations eustatiques. En effet, pour la période précédant le MIS 2, les terrasses de remplissage et d'abrasion ont été formées respectivement dans les grands et petits bassins versants. Pour la période après le début du MIS 2, une relation complexe entre les variations climatiques et eustatiques a favorisé le développement de terrasses d'abrasion partout en Albanie. Malgré des différences entre les réponses des rivières, la succession de phases d'aggradation ou d'abrasion latérale et de phases d'incision a été synchronisée avec la succession des périodes froides-sèches et chaudes-humides dans toutes les rivières de l'Albanie.

Les glaciers de montagne sont l'un des meilleurs indicateurs des changements climatiques du fait de leur réponse rapide à de faibles variations des paramètres de forçage et de leur large distribution sur la planète. Les chronologies glaciaires représentent de ce fait des enregistrements de référence parmi les reconstitutions paléo-environnementales. Dans le contexte actuel de réchauffement et de retrait glaciaire accéléré, le développement de telles chronologies est nécessaire afin de mettre en perspective ces changements rapides et de grande ampleur avec ceux du Quaternaire récent. Si les fluctuations glaciaires holocènes sont relativement bien contraintes dans les Alpes centrales et orientales, les données sont en revanche extrêmement fragmentaires dans les Alpes occidentales avant la seconde moitié du Petit Age Glaciaire ss (1570-1850 AD). Pour pallier ce manque, nous avons conduit une étude sur plusieurs sites répartis dans trois massifs des Alpes françaises (Mont Blanc, Belledonne, Ecrins), en mettant en œuvre une approche multi-proxies basée sur plusieurs méthodes de datation (dendrochronologie, datation cosmogéniques 10Be, lichénométrie, datations radiocarbone) - dont certaines utilisées pour la première fois à cette échelle spatiale et temporelle. Tandis que les potentialités de chacune de ces méthodes sont discutées, notre étude a permis de proposer une chronologie des variations glaciaires couvrant la période holocène, dont les résultats sont comparés à d'autres enregistrements paléoclimatiques régionaux à haute résolution. Les résultats révèlent un schéma des fluctuations glaciaires holocènes comparable à celui généralement admis dans le reste des Alpes, avec la mise en évidence de récurrences glaciaires importantes au début de l'Holocène, antérieures à 9.3 ka, et la datation du début de la période du Néoglaciaire dès 4.2 ka. Une contrainte précise des différents stades de la seconde moitié de l'Holocène a pu être obtenue sur le site de la Mer de Glace grâce à l'approche dendroglaciologique sur bois subfossiles (Pinus cembra). Ce site apparaît d'ores et déjà comme l'un des plus importants pour l'étude de cette période puisque la chronologie établie couvre les 4000 dernières années et représente le quatrième enregistrement de cette précision à être développé dans les Alpes. Les datations obtenues indiquent en outre un synchronisme marqué des maxima glaciaires à l'échelle régionale, ce qui suggère une similarité des forçages sur la frange occidentale des Alpes. Les différences observées avec les chronologies du reste de la chaine s'expliqueraient principalement par les caractéristiques des glaciers étudiés, en particulier leur temps de réponse différent.

<div><div><div><p>The radionuclide 10Be is produced in the atmosphere and is delivered to Earth’s surface in meteoric rain and aerosols. The stable nuclide 9Be is present in trace concentrations within rocks in Earth’s crust and is released via chemical weathering. Together, these two isotopes have been employed to study a wide range of Earth processes. Here I explore new terrestrial archives of Be isotopes: cave speleothems and terrestrial Mn-oxides. Until this point, these archives have barely been studied. Only one published dataset of Be isotopes in cave speleothems exists (Lundblad, 2006), and to my knowledge, terrestrial manganese oxides are yet to be explored. However, since speleothems and Mn-oxides precipitate from groundwater, they have the potential to encode temporal variations in the 10Be/9Be ratio of water and colloids in the vadose zone.</p><p>I develop a framework for using the 10Be/9Be ratio in the dissolved phase and/or secondary weathering products as a metric of chemical weathering rate. I am motivated by several over-arching questions:</p><ol><li><p>1) Which factor, or factors, is/are dominant in controlling Be isotopes in speleothems and terrestrial Mn-oxides?</p></li><li><p>2) Can Be isotopes in speleothems be used as a metric of weathering rate over time, particularly across glacial/interglacial cycles?</p></li><li><p>3) Can Be isotopes be used to date the formation of terrestrial Mn-oxides?</p></li></ol><p>I measure Be-isotope concentrations in speleothems from Soreq Cave, Israel. By applying an equation that I derive in this thesis, I use the temporal variation in the speleothem10Be/9Be ratio to calculate chemical weathering rates over the last 168 ka. Chemical weathering varies with independent proxies for temperature. The weathering-temperature relationship can be fit to an Arrhenius relationship, and the calculated activation energy (Ea) matches other field-based estimates for feldspar, an abundant mineral in the soil above the cave. In the Appendices I present additional results of Be-isotope measurements in a flowstone from Buffalo Cave in South Africa, as well as Mn-oxides from the Appalachians.</p></div></div></div>

L'amélioration de la précision et de la justesse des techniques basées sur les isotopes cosmogéniques passe par la mise au point de nouveaux protocoles analytiques, l'affinement des méthodes existantes et la calibration de leurs taux de production. Des tests spécifiques ont ainsi permis d'améliorer la technique standard d'analyse du 3He cosmogénique (3Hec) dans les olivines et les pyroxènes, grâce à l'identification d'une perte de 3Hec lors de l'étape préliminaire de broyage. De même, un nouveau protocole de traitement chimique a été mis au point pour la mesure du 10Bec in situ dans ces minéraux. L'utilisation de ces méthodes affinées sur des phénocristaux naturels conduit à proposer de nouveaux taux de production de 128±5 at.g-1.a-1 pour le 3Hec dans les olivines et de 4.4±0.6 at.g-1.a-1 pour le 10Bec dans les clinopyroxènes. Ces valeurs sont obtenues par calibration sur des coulées basaltiques du Mt Etna (Sicile, 38°N), du Mauna Loa et du Mauna Kea (Hawaii, 19°N) qui ont été datées par K-Ar ou 14C entre 1.47±0.05 et 149±23 ka. La fiabilité de la méthode de datation par 3Hec a été mise à profit pour établir avec précision la chronologie du dernier retrait glaciaire du Mauna Kea (Hawaii). L'âge du dernier maximum glaciaire (DMG) local a été contraint entre 19 et 16 ka. Ces datations ont de plus été valorisées par simulation numérique des conditions paléoclimatiques. Il a ainsi été établi que le refroidissement en haute altitude (> 3000 m) du Pacifique Central était de l'ordre de 7±1°C au DMG. Le réchauffement post glaciaire n'a été significatif qu'à partir de ~15 ka, ce résultat confirmant le comportement isolé de cette zone par rapport au reste du Pacifique. Enfin, il a été montré que les objets géologiques ayant enregistrés des expositions anciennes (ou fossiles) ont le potentiel pour quantifier des paramètres aussi variés que la mesure de paléoaltitudes, de paléo-taux d'érosion ou la vitesse d'émission des grandes provinces volcaniques. Les incertitudes et les limites de ces nouvelles méthodes ont été à la fois évaluées par simulation numérique et testées sur des objets géologiques.