Les objets d'étude abordés ont ce point commun qu'ils peuvent tous être identifiés dans le géosystème. Ces objets « naturels » se trouvent à différentes strates du système Terre et sont liés entre eux par des flux de matières et d'énergie. Il s'agit par exemple des aquifères souterrains, des cours d'eau ou encore de la végétation. Ces objets ont également des échelles spatiales très variées qui vont de l'espace interstitiel (le micromètre) au bassin versant (la centaine de kilomètres). Enfin, les échelles temporelles des processus mis en oeuvre à leur formation ou aux flux qui les relient sont aussi très étendues puisqu'elles vont de quelques minutes (un traçage dans une colonne de laboratoire) à quelques millions d'années (la formation de modelés par érosion).<br />L'organisation de ce travail est concentrique avec au coeur, un élément fédérateur : la modélisation. Dans un premier temps, les équations et/ou théories abordées dans ces travaux sont décrites afin de montrer les différents champs disciplinaires et de décrire les processus modélisés. Ces processus sont liés à des flux bio-physiques (écoulement, gènes) et/ou à des formes bio-physiques (relief, végétaux). Les couplages entre ces processus sont exposés sous forme d'applications diverses :<br />- des applications sur le stockage des déchets nucléaires et la corrosion des verres illustrent le couplage entre les équations de transport et la géochimie.<br />- des applications sur la modélisation géomorphologique des karsts et des lacs montrent un exemple du couplage entre les équations de la diffusivité et de la géochimie.<br />- une application sur le transfert biologique dans un réseau hydrographique permet d'aborder le couplage entre l'équation de transport et la géométrie fractale.<br />- une application sur la modélisation pluie-débit donne une idée du couplage possible entre la théorie de l'hydrogramme unitaire et la géométrie fractale.<br />- des applications variées sur l'analyse des formes.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherche des propriétés superficielles des solides divisés. Nous avons étudiés les hétérogénéités morphologiques et énergétiques superficielles des kaolinites en couplant deux approches l'adsorption d'argon basse pression et la microscopie à force atomique pour l'analyse 3D des particules. Les solides utilisés sont des phyllosilicates 1:1 : deux kaolinites de référence de la Clay Mineral Society Kga1 et Kga2, une kaolinite industrielle (High Gloss), une kaolinite de Decazeville. Après purification, les échantillons ont été échangés avec des cations monovalents Li+, Na+, K+, Cs+. La modélisation des isothermes dérivées par la méthode DIS montrent que la nature des cations influencent les phénomènes d'adsorption sur les faces basales et latérales. Sur les faces basales, des cations sont présents en très faible quantité, soit fortement associé à la surface (substitutions héterovalentes), soit physisorbés sur la surface sous forme d'espèces neutres. Sur les faces latérales, les cations échangeables sont associés aux surfaces en provoquant des points de nanorugosité. Le film d'argon adsorbé est hétérogène ou les particules d'argon s'organisent autours des microreliefs générés par les cations. De ce fait, l'estimation de la lamellarité de la kaolinite par adsorption d'argon doit être effectué en présence des cations monovalents de petite taille (Li+, Na+). Cette étude a montré que la microscopie à force atomique est une bonne méthode pour la détermination des propriétés morphologiques des minéraux dans le cas des échantillons homogènes et par analyse d'un grand nombre des particules.

La collection de micrométéorites des Monts Transantarctiques comporte des micrométéorites accumulées pendant plusieurs centaines de milliers d'années, dont un nombre exceptionnel de particules de diamètre >400 μm, qui nous ont permis de démontrer que leur distribution en taille reste la même sur la gamme 100–1600 μm, ainsi que d'en effectuer une caractérisation magnétique et isotopique : la magnétite qu'elles contiennent en abondance est formée lors de l'entrée atmosphérique, elle enregistre une aimantation thermorémanente – lors du refroidissement dans le champ terrestre – qui peut être suffisante pour causer des anomalies dans l'enregistrement paléomagnétique des sédiments dans lesquels les micrométéorites se déposent ; les rapports isotopiques de l'oxygène indiquent, contrairement au dogme actuel, qu'une partie des micrométéorites est apparentée aux chondrites ordinaires ou à des corps parents encore inconnus, et non aux seules chondrites carbonées.

Le puits IODP U1309D (Exp. IODP 304-305, 30°N) et le Site ODP 1275 (Leg ODP 209, 15°45'N) ont permis d'échantillonner deux core complexes océaniques de la dorsale Médio-Atlantique. Les roches récupérées sont principalement gabbroïques dont certaines très primitives et riches en olivine (ol >70%). Dans le puits U1309D, les compositions en éléments en trace des poeciloblastes de clinopyroxène et de plagioclase des roches riches en olivine indiquent qu'ils précipitent depuis le même magma dans toutes les lithologies. La composition en éléments en trace des olivines est en déséquilibre avec ces deux minéraux. Les fabriques cristallographiques de l'olivine sont faibles avec une concentration sur [001] inhabituelle, néanmoins compatibles avec une déformation plastique de haute température, avec l'activation du système de glissement (010) [100] communément décrit dans le manteau asthénosphérique. L'étude conjointe des caractéristiques géochimiques et microstructurales de ces roches met en lumière une histoire complexe de cristallisation dans un système ouvert où de larges volumes de magma de type MORB ont percolé et interagi avec le manteau appauvri superficiel. Ces roches riches en olivine représenteraient le résidu ultime de ces réactions liquide-manteau. Au site 1275, la formation des roches les plus évoluées de la série n'apparaît pas liée à l'événement d'imprégnation formant les roches riches en olivine. Ces roches correspondent à des injections tardives de magma qui ont entièrement cristallisé en profondeur sous forme de plutons intrusifs. Les résultats présentés dans ce mémoire sont compatibles avec une formation des core complexes océaniques associée à une activité magmatique relativement importante, et à une cristallisation complète de tout ou partie de ces magmas dans la lithosphère sans contre-partie volcanique en surface.

Un des enjeux de la volcanologie réside dans la compréhension du fonctionnement du système de stockage et de transferts magmatiques associés aux éruptions. Au Piton de La Fournaise, cette étude est ici abordée par une analyse croisée des déformations, couplée à des modélisations numériques, et aux données géochimiques de la période 1998-2007. Au sein de cette activité, nous définissons, depuis 2000, un caractère cyclique ; chaque cycle est défini par une séquence d'éruptions sommitales et latérales terminées par une éruption distale à océanite. Ces éruptions successives sont caractérisées par des dykes s'initiant à des niveaux de plus en plus profonds et des laves de plus en plus primitives. Ces cycles durant lesquels l'inflation du cône est continue, pourraient témoigner d'une réalimentation continue du système de stockage superficiel. Ces résultats permettront dans le futur une meilleure prédiction de la localisation des éruptions, selon leur position dans un cycle d'activité.

Cette étude a pour objectif d'identifier dans la matière organique (MO) archivée dans les sédiments lacustres de nouveaux marqueurs des climats passés. Le site d'étude est le Lac Caço, au nord-est du Brésil. Ce lac présente l'intérêt d'être situé dans une zone climatiquement sensible, à l'actuelle entrée de la Zone de Convergence Inter Tropicale dans le continent. La caractérisation globale du contenu organique sur une carotte de 6m a montré que la MO provient essentiellement de végétaux supérieurs. Les différences marquées dans l'état de préservation de cette MO indiquent des conditions climatiques contrastées depuis la fin du Dernier Maximum Glaciaire. De nouveaux marqueurs moléculaires spécifiques de végétaux supérieurs (onocérane I, éthers méthyliques de triterpènes pentacycliques) ont été identifiés. Ces molécules témoignent des associations botaniques qui ont peuplé le bassin versant et des conditions physico-chimiques qui prévalaient lors du dépôt du sédiment.

Les dômes métamorphiques portent les marques d'un hydrothermalisme intense concomitant de leur exhumation de long de grandes zones de cisaillement crustales. Sur l'exemple du détachement de l'île de Tinos (Cyclades, Grèce), nous proposons une approche qui combine géologie structurale et techniques analytiques de pointe, pour contraindre l'origine et les modalités de circulation des fluides responsables du métasomatisme. Une succession continue de veines métamorphiques, ouvertes durant l'évolution de la déformation depuis le domaine ductile jusqu'au domaine cassant, est identifiée dans le mur du détachement. Chaque stade d'ouverture occasionne la précipitation de quartz et de calcite. Le fractionnement isotopique de l'oxygène des couples quartz-calcite précipités à la transition fragile-ductile, mesuré à la sonde ionique, passe de 2 à 5 ‰ dans une frange de 50 m vers la faille, soit une chute de température de ~150 °C. Le ?18O de l'eau en équilibre avec ces couples passe de 15 à 0 ‰ dans cette même frange. Seules des circulations convectives de fluides surfaciques peuvent expliquer ces variations thermiques et isotopiques. Un profil isotopique réalisé dans l'ombre de pression d'une pyrite montre une chute brutale du ?18O de 3 ‰, entre deux maxima. Les inclusions fluides piégées dans des ombres de pression similaires, synchrones du cycle isotopique, montrent une forte fluctuation des isochores de stabilité. Les données isotopiques et microthermométriques, qui suggèrent une arrivée cyclique de fluides superficiels conjointe à des variations de la pression des fluides, concordent point à point avec les modèles de pompage sismique en domaine ductile initiés par la zone sismogénique sus-jacente. Enfin, une comparaison des spectres infrarouge d'inclusions fluides piégées en faciès schiste vert et schiste bleu permet d'évaluer les propriétés mouillantes des fluides métamorphiques. A 400 °C, le pic d'absorption des liaisons OH des fluides piégés dans les inclusions schiste bleu est situé à 3475 cm-1, tandis que celui des fluides schiste vert est à 3585 cm-1. Plus fort est le nombre d'onde, plus l'agencement des molécules d'eau est désordonné, occasionnant des tensions d'interface fluide-grain faibles. Les fluides du faciès schiste vert ont donc une capacité à connecter la faible porosité des roches métamorphiques très supérieure à celle des fluides schiste bleu, et peuvent infiltrer le mur du détachement en cours d'exhumation, auparavant en système clos. Ces interprétations permettent de proposer un modèle global de circulation à tous les étages d'un détachement, commandé –dans l'ordre de profondeur croissante- par la convection thermique, les cycles sismiques et la migration diffuse. Ce modèle synthétique résout le paradoxe qui consiste à introduire des fluides surfaciques -à pression hydrostatique- dans une croûte inférieure ductile à pression de pores lithostatique.

L'océan Pacifique ouest équatorial, zone océanique la plus chaude du globe, est au cœur des cellules de circulation atmosphérique de mousson (méridienne) et de Walker (zonale). Les assemblages des foraminifères planctoniques, leur géochimie et leur morphométrie ainsi que les assemblages de coccolithophoridés nous ont permis de reconstruire la dynamique climatique de cette zone au Pléistocène récent Nous avons développé une nouvelle fonction de transfert non biaisée par la structure des écosystèmes comme dans l'étude CLIMAP. Les températures de surface des derniers 185 ka reconstruites par cette méthode varient entre 27 et 29.5°C, en accord avec les estimations des alcénones. La convection atmosphérique liée à ces températures élevées a donc persisté au cours du Pléistocène récent. Ces températures sont modulées par les cycles orbitaux de précession qui forcent également à cette échelle de temps le balancement de la thermocline des océans Indo-Pacifique, suivant un mécanisme similaire à l'El Niño-Oscillation Australe. A l'échelle du millénaire, la dynamique climatique rapide des cycles de Dansgaard-Oeschger des hautes latitudes est décelée dans les variations d'intensité de la mousson d'hiver Est Asiatique du Pacifique ouest équatorial. Cette mousson est marquée par un cycle de 1500 ans, indépendant du volume global des glaces, donc d'un forcage des hautes latitudes. Un rôle d'amplificateur des changements climatiques rapides est attribué à la dissociation thermale des clathrates de méthane des marges sédimentaires de basses latitudes. En effet, un enregistrement isotopique à haute résolution des isotopes du carbone démontre l'existence de dégazages catastrophiques de ces clathrates de méthane pendant le dernier stade glaciaire.

L'augmentation des besoins en produits de haute technologie est responsable d'une demande croissante en minéraux de spécialité et conditionne très fortement la stratégie des grands groupes industriels. Cependant, la typologie de ces nouveaux minerais et la gîtologie de leurs gisements sont très mal connues. La silice ultra pure pour l'électrométallurgie du silicium, au coeur de cette vaste thématique, offre les meilleures opportunités d'étude. Un projet de thèse a donc été proposé par le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), en coopération avec l'Université Henri Poincaré (UHP) de Nancy, dans le but d'explorer quelques pistes d'importance en ce qui concerne ce minerai et ses gisements. Ce travail a permis de proposer, à partir de l'étude conjointe du gisement et de son substratum, un nouveau modèle génétique original du plus gros placer français incluant les sources, le transport et le piégeage du minerai, propice à la recherche de nouveaux gisements. En ce qui concerne le minerai quartz, quelques nouvelles données sur la définition de sa qualité et sur les études à mener pour la caractériser ont été avancées.

L'objectif de ce travail est d'étudier les apports atmosphériques de Pb à partir d'enregistrements environnementaux de Méditerranée occidentale. Le calcul des inventaires de Pb anthropique de plusieurs milieux de dépôts et la reconstruction temporelle des apports obtenus par un couplage du 210Pb et des isotopes stables du Pb est le moyen de valider ou de remettre en question l'enregistrement sédimentaire. Le sédiment de la pente continentale du Golfe du Lion révèle un inventaire moyen de Pb anthropique de 110!±!7!mg.cm-2 similaire à l'inventaire atmosphérique estimé en Camargue, soit 99!µg.cm-2. La reconstitution des apports de Pb anthropique dans ces mêmes sédiment obtenue par une modélisation prenant en compte la diffusion, rejoint les émissions anthropiques régionales au cours du dernier siècle dans la zone Ferrand (1996). Le sédiment de pente continentale est donc un intégrateur efficace et fidèle du signal de pollution atmosphérique, aussi bien du point de vue quantitatif mais aussi qualitatif. En mer d'Alboran, zone particulière de par sa situation géographique, sa situation climatique, sa situation météorologique, et son contexte hydrologique, l'inventaire sédimentaire moyen de Pb anthropique est de 153!±!47!µg.cm-2, soit 1,5 fois supérieur à celui du Golfe du Lion. L'étude des retombées atmosphériques actuelles, de particules sédimentaires de la colonne d'eau et de sédiments profonds des bassins Est et Ouest de la mer d'Alboran permet de montrer la continuité du signal isotopique entre ces trois compartiments et de définir les sédiments profonds comme susceptible de restituer le signal atmosphérique sur une plus ou moins longue période de temps.