La prévisibilité des changements dans la qualité et la quantité des ressources hydriques renouvelables repose sur une étude quantitative des mécanismes qui contrôlent ces paramètres. En lien avec cette problématique, la présente étude privilégie une approche fondée sur le monitoring géochimique des exports fluviaux dissous (δ2H-δ18O, cations majeurs, carbone organique dissous (COD), Nd, Sr, 87Sr/86Sr, U, (234U/238U)). L'élude a pour objectif (i) de tracer le cycle de l'eau et (ii) de documenter les taux d'altération chimique des roches au sein des basins hydrographiques des baies d'Hudson, de James et d'Ungava (HJUB) ainsi que du fleuve Saint-Laurent. La région d'étude couvre plus de 2,8x 106km2 sur 15 degrés de latitude. Les rivières Koksoak, Great Whale, La Grande et des Outaouais et les fleuves Nelson el Saint-Laurent ont fait l'objet d'un suivi temporel alors que dix autres rivières de la région ont été échantillonnées ponctuellement (durant la fonte des neiges et l'étiage estival) afin de fournir des informations complémentaires. Les teneurs en 2H-18O des rivières étudiées présentent des variations saisonnières systématiques dont l'amplitude atteint 1 à 5%o (δ18O). L'appauvrissement en isotopes lourds marquant la fonte des neiges constitue le trait caractéristique des profils isotopiques saisonniers. Lors de la période libre de glace, des enrichissements graduels en isotopes lourds sont observés en réponse à l'évaporation. La rivière La Grande est une exception à cette règle en raison de l'effet tampon causé par les réservoirs hydroélectriques qui la ponctuent. Lorsque rapportées dans un graphique δ2H vs δ18O, les rivières définissent des droites évaporatoires situées sous la droite des eaux météoriques et ayant une pente plus faible que cette dernière. À partir de bilans de masses isotopiques, il a été estimé que 10% de l'eau atteignant le bassin de la rivière des Outaouais est évaporée avant de rejoindre l’exutoire de cette dernière dans le fleuve Saint-Laurent. De façon similaire, on estime à 5-15% les taux d'évaporation dans les bassins hydrographiques du nord-est du Canada. Les rivières drainant les bassins hydrographiques contigus du nord-est du Canada définissent un gradient isotopique latitudinal (δ18O (%o vs VSMOW) = -0.36*Latitude+4.4%o) parallèle à celui rapporté pour les précipitations au niveau de la même région. Cette observation tend à indiquer que le gradient isotopique hérité des précipitations est conservé dans les rivières, malgré les processus subséquents à la recharge des bassins. Au sein des bassins de l'HJUB, les taux d'altération des roches ont été étudiés à partir des exports fluviaux dissous. Les rivières du bouclier présentent des concentrations en cations majeurs variant entre 62 ct 360 μM, des teneurs en néodyme ([Nd]) allant de 0.57 à 4.72 nM et des teneurs en COD variant entre 241 ct 1777 μM. En comparaison, le fleuve Nelson présente des concentrations en cations majeurs plus élevées (1200-2276 μM), des [Nd] plus faibles (0.14-0.45 nM) ct des [COD] intermédiaires (753-928 μM). Au sein des rivières Koksoak, Great Whale et Nelson, les concentrations en cations dissous (Na-K-Mg-Ca-Sr) présentent des variations saisonnières qui transcrivent l'effet des conditions hydro-climatiques. Comme pour les teneurs en 2H-18O, la dilution causée par la fonte des neiges constitue le trait caractéristique des chroniques saisonnières. Les rivières étudiées exportent vers l’HJUB un flux cationique dissout (Na-K-Mg-Ca-Sr) de 8x106 tonnes*an-1. Au sein des bassins hydrographiques, les taux d'altération chimique (cationique) des roches varient entre 1.0 et 5.6 tonnes*km-2*an-1. Le contrôle lithologique est proéminent, tel que suggéré par la relation établie entre l'abondance de roches volcaniques et sédimentaires (V+S%) dans les bassins et les taux d'altération cationiques des roches (ACR): ACR=0.8*(V+S%)+0.9. Les flux de Nd sont découplés des taux d'altération des roches mais corrélés aux taux de COD (r2=0.95). Ces derniers diminuent vers le nord et semblent tributaires des conditions hydro-climatiques. Les exports fluviaux d'uranium ont été étudiés a fin de fournir des précisions sur les processus d'altération des roches. Les rivières drainant le Bouclier canadien et la Plate-Forme Intérieure présentent des signatures [U] vs (234U/238U) distinctes. Dans le fleuve Nelson (Plate-Forme Intérieure) les [U] varient entre 1.05 et 2.45 nM et les déséquilibres (234U/238U) atteignent 1.21 à 1.25. Les [U] sont plus faibles au sein du Bouclier canadien (0.04-1.24 nM) alors que les déséquilibres (234U/238U) sont plus variables (1.11-1.99). Dans l'ensemble, les rivières étudiées exportent 3.4x105 moles*an-1 d’uranium vers l’HJUB, avec un ratio (234U/238U) moyen de 1.27. Les flux d'U sont découplés des taux d’altération des roches et l'accumulation d’uranium au sein de dépôts organiques semble intervenir sur les budgets à l’échelle des bassins. Les signatures (234U/238U) distinctes des rivières étudiées pourraient offrir la possibilité de tracer les exports fluviaux dissous au sein du domaine océanique de l’HJUB. ______________________________________________________________________________

Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser l'impact des effets géomécaniques lors de l'injection de CO2 dans une formation de calcaire. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale des évolutions des propriétés pétrophysiques et géomécaniques du calcaire étudié sous l'effet de l'altération chimique. L'évolution de la microstructure de la roche est également étudiée dans le but de comprendre les phénomènes observés à l'échelle macroscopique. La deuxième partie vise à définir, par approche micromécanique, un modèle de comportement géomécanique prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques de la roche carbonatée sous l'effet de l'attaque acide. L'élasticité et la résistance de la roche ont été modélisées et validées par les données expérimentales

L'altération des sols est essentielle pour l'évaluation des réservoirs de cations basiques dans la solution du sol et sa capacité de neutralisation des dépôts acides. Des taux d'altération des sols du Bouclier canadien ont été déterminés pour 22 bassins versants du réseau TADPA-Québec à l'aide du modèle de simulation biogéochimique PROFILE à partir de 62 échantillons. La recherche a surtout été concentrée sur la description physique des sols (granulométrie, minéralogie et surface spécifique) et la modélisation des variables hydroclimatiques dans le but d'effectuer une simulation des taux d'altération avec PROFILE. Le rééquilibre chimique dans la qualité des eaux de surface du Bouclier canadien exige avant tout une recharge des réservoirs de cations basiques échangeables dans les sols qui est supportée par l'altération chimique des sols. Une minéralogie semi-quantitative des sols a été établie selon différente analyses physiques et chimiques: la diffraction aux rayons X pour les fractions argileuses et limoneuses, le comptage minéralogique au binoculaire pour les fractions sableuses et l'utilisation du modèle stoechiométrique UPPSALA basé sur la chimie totale des horizons B. La surface spécifique a été établie selon deux méthodes: l'équation BET et l'algorithme textural de Sverdrup (1990). La texture des horizons B a été évaluée à partir d'un tamisage sec (>63 µm) et d'un sédimentomètre (<63 µm). La modélisation des variables hydroclimatiques a été faite à partir des modèles BioSIM, ForHYM et forSTEM. Les simulations d'altération des sols par PROFILE ont été faites deux fois pour chaque pédon en fonction des différentes valeurs de surface spécifique. Les taux d'altération simulés avec une surface spécifique établie selon la méthode BET sont entre 0,47 et 12,8 kmolc ha¯¹ an¯¹, tandis que les taux d'altération simulés avec une surface spécifique établie selon l'algorithme textural sont entre 0,87 et 5,5 kmolc ha¯¹ an¯¹. Des simulations PROFILE ont également été faites sur huit échantillons pour lesquels nous avons extraits les oxyhydroxides dans l'évaluation de la surface spécifique avec la méthode BET. Les résultats d'altération PROFILE suite aux extractions sont entre 0,88 et 4,39 kmolc ha¯¹ an¯¹. Les taux d'altération simulés démontrent l'importance de la surface spécifique dans ces évaluations. De même, une minéralogie diversifiée permet de cerner la contribution de certains minéraux au taux d'altération, en particulier les amphiboles. Les comparaisons effectuées avec les bilans élémentaires suggèrent que les taux d'altération actuels sont supérieurs aux taux historiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Taux d'altération des sols, Modélisation (PROFILE, UPPSALA, BioSIM, ForHYM, ForsTEM), Diffraction aux rayons X (DRX), Surface spécifique, Minéralogie, Bouclier canadien.

Le Mont Cameroun est un volcan actif situé en bordure du continent africain. Le climat tropical humide régnant sur ses flancs crée des conditions privilégiées pour l'étude des processus d'altération des basaltes. L'altération chimique a_ d'abord été examinée dans des coulées massives (d'âge < 100 ans) puis dans des sols formés à partir de dépôts pyroclastiques récents (810 - 4530 ans). Les coulées massives ne montrent pas de transformations chimiques notables liées à l'altération, ainsi qu'en témoignent les concentrations en éléments majeurs et traces et les isotopes du Sr, Nd, Pb et' U. Toutefois, deux processus associés à l'interaction eau/roche se produisent à la surface des coulées: (1) un échange de cations entre les ions Na+ de la lave et les ions H+ des eaux d'altération et (2) une oxydation partielle du . Fe2+ en Fe3+. Ces modifications chimiques restent très limitées au regard des précipitations dans la zone d'étude (2"à 12 m/an). Nos résultats démontrent que les effets de l'altération sont négligeables sur la composition chimique de laves basaltiques massives soumises à des conditions tropicales humides sur une période de 100 ans. Plus perméables, les sols formés à partir de dépôts pyroclastiques constituent un matériel plus réactif vis-à-vis des solutions d'altération. Ces sols sont significativement enrichis en Cs, Ba, Pb, U, Th, P et appauvris en Na, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Ni, Co et Si. Les enrichissements élémentaires, ainsi que les variations isotopiques du Sr, Nd et Pb dans les horizons superficiels, s'expliquent par l'adjonction périodique de poussières sahariennes. Nous montrons que la proportion massique d'aérosols sahariens dans les sols n'excède pas 7%. Les appauvrissements élémentaires résultent de l'hydrolyse des minéraux magmatiques. L'intensité de l'altération ne dépend pas de l'âge des dépôts pyroclastiques mais du temps pendant lequel ils . restent en surface avant d'être recouverts par des laves plus récentes et des conditions paléoclimatiques.

Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser l'impact des effets géomécaniques lors de l'injection de CO2 dans une formation de calcaire. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale des évolutions des propriétés pétrophysiques et géomécaniques du calcaire étudié sous l'effet de l'altération chimique. L'évolution de la microstructure de la roche est également étudiée dans le but de comprendre les phénomènes observés à l'échelle macroscopique. La deuxième partie vise à définir, par approche micromécanique, un modèle de comportement géomécanique prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques de la roche carbonatée sous l'effet de l'attaque acide. L'élasticité et la résistance de la roche ont été modélisées et validées par les données expérimentales / This work composed of both experimental and theoretical studies aims at the characterization of carbonate rocks geomechanical evolution during CO2 injection. The first part of the study deals with the experimental work in order to characterize the petrophysical and geomechanical evolution of carbonate rock under chemical effect. Microstructure evolution has been investigated, in order to provider a better understanding of the observed phenomena at the macroscopic scale. The aim of the second part is to derive macroscopic properties of carbonate rock in framework of a micromechanical approach. The elastic moduli and effective strength in both intact and altered states have been computed and are compared with experimental data

Cette thèse a été réalisée en coopération avec ANDRA, l'agence nationale française des déchets radioactives. Son objectif est de donner une meilleure compréhension des propriétés mécaniques des roches argileuses sous l'influence de solutions aqueuses, en admettant qu'elles sont considérées comme des roches susceptibles d'héberger des déchets nucléaires.<br/> L'ardoise peut, selon sa composition, modifier dans un large domaine ses propriétés mécaniques et pétro-physiques à cause des interactions minérales de la glaise liquide. L'ardoise peut être molle ou dure, extensible ou rigide, perméable ou imperméable et ce selon les conditions environnementales auxquelles elle est exposée. Elle peut être très sensible aux changements des conditions environnantes, comme par exemple l'humidité, la contrainte, la température et les gradients du potentiel chimique.<br/> Une des réactions les plus apparentes de l'ardoise est le gonflement et le dégonflement comme résultat de sa saturation et des gradients du potentiel chimique dans le système liquide. Ces variations de volume modifient parfois d'autres propriétés. Selon la consistance et la concentration d'un liquide, l'ardoise peut soit gonfler soit se dégonfler en entrant en contact avec un liquide. Le matériau peut aussi se dissoudre dans le liquide et se désintégrer complètement.<br/> Une description compréhensible des minéraux argileux du site de l'Est a été élaborée. Les micromécanismes physico-chimiques de l'interaction liquide-solide, comme l'adsorption, l'absorption, la capillarité et l'osmose y sont également présentés. Les conséquences possibles de ces mécanismes sur le comportement macro-mécanique, comme le gonflement et le dégonflement, fissuration et autres ont également été analysées.<br/> La technologie des rayons X en microfocus a été introduite et utilisée pour analyser l'ardoise dans des conditions environnementales différentes. L'avantage de cette méthode est son caractère nondéstructif. Dû à la friabilité du matériau, la préparation des lames minces classiques est une méthode inappropriée pour analyser les micro-fissures et la désintégration de l'ardoise.<br/> Les solutions ont été examinées pour observer la réaction en temps réel de l'ardoise dans le site de l'Est quand elle entre en contact avec différentes solutions aqueuses et sous charge uniaxial. La désintégration et la déformation ainsi que les propriétés générales de ce matériau ont été analysées en utilisant la technologie des rayons X μRG en immergeant le matériau dans une solution. On a pu constater que la désintégration, le développement des cracks et la déformation dépendent en partie de la concentration des ions ainsi que des types des ions de la solution.<br/> Lors d'un test cinétique l'ardoise a été exposée à des degrés différents d'humidité relative et à des conditions de pressions uniaxiales. Une enceinte climatique électronique, contrôlée par une ordinateur a été utilisée pour créer des degrés d'humidité différents et on a transféré directement les résultats de la déformation axiale et des paramètres environnementaux. La relation entre l'humidité environnementale, la déformation axiale, la charge axiale et les micro fissures a été analysée. La technologie des rayons X en microfocus a été utilisée pour radiographier des spécimens avant et après les essais. Le matériau a été testé sous une humidité relative de 5% à 99%, pour évaluer l'influence de l'humidité sur le comportement des micro fissures et de la déformation.<br/> Un test cyclique a été développé afin de définir le degré de friabilité dans un secteur entre 35% et 75% d'humidité relative.<br/> Finalement, un test combiné a été réalisé afin de comparer la réaction dans l'eau pure d'un matériau saturé dans un environnement humide avec sa réaction dans l'eau en étant dans son état initial de saturation. Le matériau a été d'abord exposé à une humidité relative de 5% et 99% et ensuite immergé dans l'eau pure. Grâce à ce test on a découvert un phénomène d'hydratation qui pourrait être important pour les procédures des essais normalement appliquées.

Cette thèse a pour but d'améliorer notre compréhension des processus d'altération des roches mafiques silicatées, de la spéciation des éléments et de leur migration dans le milieu boréal (bassin versant de la mer Blanche, Nord-Ouest de la Russie). Les objectifs principales du travail sont i) de caractériser et décrire les mécanismes responsables de l'altération chimique et de la formation des minéraux dans la zone subarctique, ii) évaluer le rôle de la lithologie (environnement granitique versus basaltique) dans la spéciation des éléments traces (ET) et la formation des colloïdes organo-minéraux dans les eaux de surface des bassins versants boréaux des hautes latitudes, et iii) révéler la dépendance de la spéciation des ET en fonction du pH de la solution pour prédire des changements éventuels dans la bioaccumulation des éléments dans les eaux naturelles à cause de leur acidification. L'originalité de cette thèse est de combiner, pour la première fois sur les mêmes objets naturels, les techniques physico-chimique, minéralogique et isotopique afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions subarctiques.

L'altération chimique des surfaces continentales constitue un des puits de carbone à la surface de la Terre qui régule le climat grâce à des mécanismes de rétroactions. L'intensité de l'altération est contrôlée par le climat mais aussi par la lithologie, le couvert végétal, l'hydrologie et la présence d'argiles et d'acides dans les sols. Dans ce travail, une étude à l'échelle globale sur des sites a mis en évidence qu'une augmentation de la concentration en CO2 dans l'atmosphère entraînerait une diminution de l'évapotranspiration grâce à une fermeture partielle des stomates, et une augmentation de l'acidité dans les sols liée à l'accroissement de la productivité des végétaux. Ces changements favoriseraient l'altération chimique des silicates et par conséquent, mèneraient à une augmentation de la consommation en CO2 de 3% par 100 ppmv d'augmentation de la teneur en CO2 dans l'atmosphère. Ensuite, l'étude d'un des plus grands bassins versants situé en milieu arctique, le bassin de la Mackenzie (Canada) a permis de mettre en évidence la forte sensibilité de l'altération chimique à la production d'acide sulfurique. En effet, la prise en compte de la présence de pyrite (minéral sulfuré) sur le bassin conduit à une diminution de la consommation en CO2 moyenne de 56%. Par ailleurs, la consommation en CO2 moyenne de ce bassin pourrait augmenter de 53% entre le climat actuel et une projection climatique pour la fin du siècle.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer les connaissances sur les processus et les facteurs de contrôle des flux d'altération chimiques à l'échelle d'un petit bassin versant tropical (Mule Hole, Inde du Sud). Le rôle de la minéralogie et du climat est étudié grâce à la modélisation. Dans la première partie du travail, les sols (fersialsols, vertisols) et la roche mère (gneiss) sont caractérisés minéralogiquement et chimiquement afin de procéder, dans la seconde partie, à la modélisation des processus. Le modèle géochimique est couplé avec un modèle hydrologique. Premièrement, les processus actuels sont étudiés. Le modèle est calibré grâce à la composition chimique du ruisseau et de la nappe. Les flux d'altération à l'échelle du bassin sont reproduits. Ils mettent en évidence le rôle prépondérant de l'altération des smectites (5% volumique dans les sols) sur le bilan d'altération du bassin. Finalement, des tests de sensibilité à la minéralogie et au climat sont réalisés.

La Zone Critique de la Terre désigne la fine pellicule recouvrant sa surface, à l’interface du cycle de l’eau, de lithosphère et de la biosphère. Cette couche est produite à sa base par altération chimique et détruite à son sommet par érosion mécanique. Parce que le lithium et ses isotopes ont la particularité de se partager entre la phase dissoute et la phase solide au cours des réactions d’interactions eaux-roches, nous explorons, dans cette thèse, le potentiel des isotopes du lithium dissous dans les rivières comme traceurs des processus d’altération chimique des continents. Nous nous sommes focalisés, dans un premier temps, sur le Bassin Congolais. Cette étude met en évidence le caractère équivoque de la réponse de la composition isotopique du Li (δ7Li) dissous des rivières aux topographies plates (et aux intensités d’altération élevées). Deux valeurs extrêmes de δ7Li dissous sont, en effet, produites dans le bassin du Congo, qui tracent deux styles d’altération continentale distincts, dans lesquels les processus d’altération chimique sont différents. D’autre part, nous proposons une nouvelle estimation du flux moyen de Li et de sa composition isotopique moyenne exportés à l’océan par les rivières aujourd’hui (5,5×1010 g.an−1 et 19±2‰, respectivement). Nous montrons que le δ7Li dissous dans les grands fleuves est contrôlé, au premier ordre, par la réincorporation du Li dans les minéraux secondaires (dans les sols et les plaines d’inondation) et, d’une manière équivoque, de l’intensité d’altération. En outre, l’étude des δ7Li dissous dans les rivières drainant les îles volcaniques (Islande, Java, Martinique, Sao Miguel et Réunion) montre que l’hydrothermalisme continental, générant des eaux très concentrées en Li avec une valeur basse de δ7Li (car très peu fractionnée par rapport à la roche mère basaltique), influence le δ7Li dissous des rivières des îles volcaniques et peut avoir un impact significatif sur le flux de Li (et son δ7Li) transféré(s) à l’océan à l’échelle globale. Enfin, nous proposons une interprétation de l’augmentation de l’ordre de 9‰ qu’a connue la signature isotopique du Li de l’eau de mer au cours du Cénozoïque à l’aide d’un modèle de boîtes simple de l’océan et au regard de nos résultats. Il émane de ce travail de thèse que les isotopes du Li dissous dans les rivières prouvent là encore leur capacité à être de bons traceurs des régimes d’altération des roches silicatées continentales (et ce, même en contexte anthropisé, comme le montre notre étude du bassin de l’Orgeval, en Seine-et-Marne). Le Li et ses isotopes constituent donc des traceurs prometteurs de la Zone Critique de la Terre et des paléo-processus d’altération chimique ainsi que de l’évolution géodynamique des continents voire des grands mouvements verticaux affectant la lithosphère continentale / The Critical Zone of the Earth is the layer covering its surface, at the interface between the water cycle, the lithosphere and the biosphere. This layer is produced at its base by chemical weathering and destroyed at its top by mechanical erosion. We explore the potential of lithium isotopes dissolved in rivers as tracers of continental chemical weathering processes as lithium and its isotopes are highly fractionated between the dissolved and solid phases during water-rock interaction processes. First, we are focused on the Congo Bassin. This study demonstrates the equivocal response of the isotopic composition of the riverine dissolved Li isotope compositions (δ7Li) to flat topography (and high weathering intensities). Two extreme values of dissolved δ7Li are produced in the Congo Basin, which trace two distinct continental weathering styles in which chemical weathering processes are different. On the other hand, we refined the mean flux of Li and its average isotopic signature exported to the ocean by rivers today (5.5×1010 g. an-1 et 19±2‰, respectively). We show that dissolved δ7Li in large rivers is controlled, at first-order, by the re-incorporation of Li into secondary weathering minerals (in soils and floodplains) and in, an equivocal way, of the weathering intensity. Moreover, the study of dissolved δ7Li in rivers draining volcanic islands (Iceland, Java, Martinique, Sao Miguel and Reunion) shows that continental hydrothermal activity, producing waters with high Li concentration with low value of δ7Li (as low fractionated towards the basaltic bedrock), influences the dissolved δ7Li in rivers of volcanic islands and can have an impact on the Li flux (and its δ7Li) transferred to the ocean on a global scale. Finally, by using a simple box model of the ocean and our results, we suggest an interpretation of the 9‰ increase of seawater δ7Li during the Cenozoic. This thesis highlights that riverine dissolved Li isotopes confirm once again their capacity to be powerful tracers of the weathering regimes of continental silicate rocks (even in anthropized context, as showed by our study of the Orgeval catchment, in Seine-et-Marne). Li and its isotopes are thus promising tracers of the Critical Zone of the Earth and the chemical weathering paleo-processes as well as the long-term geodynamic evolution of the continents or even the large vertical movements affecting the continental lithosphere