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Cette thèse a pour but d’étudier l’impact de la taille des grains sur la rhéologie du manteau terrestre. Nous avons proposé un nouveau modèle d’évolution de la taille des grains et montré que les états d’équilibre qu’il prévoit sont en adéquation avec les données expérimentales obtenues sur des échantillons d’olivine. Ce modèle est illustré par des simulations numériques d’une zone de cisaillement et de convection du manteau. Nous avons montré que notre formalisme favorise la localisation la déformation et modifie le régime de convection des planètes. Notre modèle propose que l’évolution d’une distribution de tailles de grains soit entièrement contrainte par l’énergie des joints de grains. Cette énergie diminue lors de la croissance normale et augmente lors de la recristallisation dynamique. Notre modèle stipule que l’énergie nécessaire à la nucléation des nouveaux grains est soustraite à l’énergie dissipée dans le matériau par les dislocations. Même lorsque les grains de taille moyenne sont en régime diffusif, les grains les plus gros se déforment en régime dislocatif, peuvent continuer à subir de la recristallisation et ainsi peuvent concourir à la réduction de la taille moyenne. Lorsque les effets de la croissance et de la nucléation se compensent, nous pouvons comparer l’état d’équilibre obtenu avec les données expérimentales. Nous montrons que le partitionnement de l’énergie fournie dépend principalement de la température. Ce modèle est ensuite testé dans une simulation numérique de zone de cisaillement. Dans ce système, selon la température, la contrainte déviatorique et la taille des grains, la déformation peut s’effectuer en régime de diffusion ou en régime de dislocation. Contrairement à nos attentes, notre modèle montre que la déformation se localise moins efficacement lorsque le cœur de la zone de cisaillement passe en régime de diffusion. La taille des grains semble favoriser l’apparition des zones de cisaillement en y baissant la viscosité mais ne semble pas localiser intrinsèquement la déformation. Finalement, nous avons testé notre équation de l’évolution de la taille des grains à l’aide de simulations numériques de convection du manteau. La température étant élevée dans le manteau, nous avons considéré que les grains étaient tous dans l’état d’équilibre prévu par notre modèle. Nous avons observé que la taille des grains peut suffire à modifier le régime de convection des planètes en créant une couche très non-Newtonienne dans leur lithosphère. Cette thèse a montré que la taille des grains influence fortement la dynamique des planètes en localisant la déformation à leur surface. Le nouveau modèle qu’elle propose apporte une vue nouvelle sur la création et l’entretien du régime de tectonique des plaques. / In this thesis, I studied the impact of grain size on the rheology of the mantle of the Earth. We propose a new model of grain size evolution and show that the equilibrium states it predicts are in good agreement with the experimental data obtained on olivine samples. This model is illustrated by numerical simulations of mantle convection and shear zones. I show that our formalism has a non-negligible effect on the localization of deformation in shear zones and strongly modifies the convection regimes of planets. In our formalism, we propose that the energy of a grain size distribution is fully constrained by the energy of the grain boundaries. This energy diminishes during grain growth and increases during dynamic recrystallization. Our model stipulates that the amount of energy required to nucleate new grains, which is a dislocation-assisted process, is substracted to the energy dissipated in the material. We also show that even when the mean grain size is located in the diffusion regime, the biggest grains of the distribution can remain in the dislocation regime and continue to nucleate smaller grains. Thus, the mean grain size can decrease, even in the diffusion regime. When the growth and recrystallization processes are equivalent, the grain size distribution reaches an equilibrium state which can be compared with experimental data (various published olivine piezometers). The experimental calibration of our model shows that the partitioning of energy is principally temperature-dependent. I test this new model in a fully viscous numerical simulation of shear zone with a non-Newtonian- grain size-dependent viscosity. In this system, depending on the temperature, grain size or thermal state, the deformation can locally operate in diffusion or dislocation regime. Paradoxally, my model shows that the deformation is more localized when the shear zone is in the dislocation regime, where the viscosity does not depend on grain size. We observe that the grain size parameter tends to favor the apparition of shear zones because it minors the stress field but is insufficient to localize deformation in the case of a constant plate velocity. A grain size-activated localization of deformation seems to require a time-dependent stimulation which is typically obtained in visco-elasto-plastic configurations. Finally, I have tested our grain size evolution model, in its static form, in a set of numerical simulations of mantle convection. Our model shows that the grain size reaches its equilibrium very quickly in sub-lithospheric conditions. Thus, I have considered that the grain size distribution is always in the equilibrium state predicted but our model. I show that the consideration of the grain size parameter can fully modify the convection regimes of telluric planets. When surface stresses are high enough to reach the diffusion regime, the stagnant lid usually obtained with very temperature-dependent viscosities is broken by a very non-Newtonian and grain size-dependent top layer. This thesis shows that grain size strongly influences the dynamics of planets in localizing the deformation in their surfaces. The model we propose brings a new view of the creation of plate tectonics at the surface of the Earth.

Cette thèse vise à restituer l'histoire de la mousson africaine au cours du Quaternaire, et à en déterminer ses influences sur les variations des apports sédimentaires du Nil et des déserts d’Afrique du nord. Deux sites de la Méditerranée orientale ont alors été étudiés (la carotte MD90-964 dans la partie orientale du bassin Levantin et le Site ODP 964 dans la Mer ionienne). Sur la base des analyses de la minéralogie des argiles, de la granulomètrie, de la teneur en carbonate et Corg couplées à des analyses semi-quantitatives d’éléments majeurs et traces à très haute résolution temporelle par XRF Core Scanner, nous avons restitué l’histoire des apports sédimentaires du Nil, des changements de précipitation en l’Afrique du Nord, et des variations des paleo-crues du Nil au cours des 1,75 derniers millions d'années. Le premier enregistrement de Delta(18)O du foraminifère planctonique G. ruber (carotte MD90-964) de l’ensemble du Quaternaire a été obtenu à très haute résolution temporelle pour la Méditerranée orientale. Le site ODP 964 a permis de restituer la dynamique des apports de poussière saharienne à la mer ionienne durant les 1,5 derniers millions d'années. Les résultats indiquent que les changements dans les apports de sédiments transportés par le Nil et par les vents depuis les domaines sahariens sont fortement influencés par les variations de la mousson africaine. Les alternances glaciaires/interglaciaires et les variations climatiques de la transition climatique mi-Pléistocène (MPT), dans une moindre mesure, influencent également / This thesis is devoted to reconstruct the Quaternary history of African monsoon and its influences on suspended loads of the Nile River and dust production in Sahara. The materials used in this study come from two sites (MD90-964 in the eastern Levantine Basin and ODP Site 964 in the Ionian Sea) in the eastern Mediterranean Sea. Based on clay mineralogy, grain sizes, carbonate and Corg contents, and XRF core scanning analyses of Core MD90-964, we have reconstructed history of the Nile suspended discharges, precipitation in North Africa, and Nile paleoflood events during the last 1.75 Ma. On the basis of the planktonic foraminiferal Delta(18)O record of Core MD90-964, we have established for the first time in the eastern Mediterranean Sea a high-resolution planktonic foraminiferal (G. ruber) Delta(18)O record that penetrates the Quaternary period. The ODP Site 964 allows us to establish the variations of Saharan dust inputs to the eastern Mediterranean Sea during the last 1.5 Ma. Our results indicate that both fluvial sediments from the Nile and Saharan eolian dust inputs to the eastern Mediterranean Sea are greatly influenced by the variability of African monsoon. The glacial/interglacial cycles and other orbital-scale climatic events, such as the “Mid-Pleistocene Transition”, can also affect climate changes in North Africa to a minor extent.

Cette thèse étudie l’organisation longitudinale du lit du Rhône français et son évolution depuis plus d’un siècle afin d’améliorer la gestion des sédiments du fleuve. Elle décrit d’abord la complexité géographique, géologique, et hydrologique des 512 km du système fluvial. Les extractions, l’endiguement, la chenalisation et les aménagements hydroélectriques ont simplifié le tracé latéral du chenal, incisé et pavé le fond du lit et appauvri les habitats aquatiques et riverains. La thèse caractérise ensuite plus précisément les dynamiques de fond. Elle repose sur des données bathymétriques de 1897-2010 et sur des données granulométriques issues de plus de 300 prélèvements réalisés dans le cadre de ces travaux sur l’ensemble du linéaire. Un protocole d’échantillonnage homogène a été spécialement élaboré. Les variations altimétriques du lit (zones de stockage-érosion et faciès morphologiques) et sa composition granulométrique (zones pavées ou comblées par des fines) ont été caractérisées afin d’évaluer la mobilité potentielle de la charge de fond, les apports des affluents et l’impact des ouvrages sur les conditions de transport. Il ressort 1) que l’incision du lit est principalement due à la chenalisation, 2) que les aménagements hydroélectriques ont compartimenté le continuum en provoquant le stockage de sédiments fins dans certaines retenues et en favorisant le pavage dans les vieux Rhône à l’aval de Lyon et 3) qu’une dynamique résiduelle subsiste lors de crues majeures avec une remobilisation modérée de la charge de fond. Les données des secteurs les plus pavés ont été intégrées dans un modèle hydraulique 1D permettant de quantifier la capacité de transport et le débit solide et confirmant les résultats précédents. Ces travaux permettent de formuler des recommandations de gestion durable et de restauration écologique du fleuve telles que l’ouverture des vannes de fond en crue, la modification des consignes aux barrages ou la réinjection de graviers. / This thesis studies the French Rhone riverbed longitudinal organisation and its evolution over a century, with a view to improve the management strategy for the sediments. It first describes the geographic, geologic and hydrologic peculiarities of the 512-km long fluvial system. Gravel mining, dikes construction, channelization and dams construction have simplified the lateral pattern of the channel, incised and paved the riverbed and impoverished the aquatic and riparian habitats. The thesis then more precisely characterizes the riverbed dynamics. It relies on bathymetric data collected since 1897 and on grainsize data collected specifically for this study from over 300 samples on the whole 512-km river length. An homogeneous sampling protocol was elaborated on purpose. The vertical bed evolution and grainsize distribution were analysed to assess the riverbed potential mobility, tributaries’ sediment recharge and infrastructures’ impact on sediment transport. It thus appears that 1) riverbed incision is mainly due to channelization, 2) hydroelectric dams partitioned the continuum with the accumulation of fine sediments in some backwaters and the pavement of bypassed reaches downstream of Lyon and 3) a residual dynamic persists during major floods, with moderate gravels transport. The data of paved reaches were used in a 1D hydraulic model to quantify transport capacity and bedload discharge, confirming the aforementioned results. This study helps formulate such recommendations for sustainable river management and ecological restoration as opening slush gates during floods, changing dams management instructions or reinjecting gravel.