Documenter la variabilité climatique récente est nécessaire à la compréhension des mécanismes en jeu, associés au rôle du bilan de masse de l’Antarctique pour l’élévation du niveau des mers globale. Les enregistrements issus des carottes peu profondes d’Antarctique sont des données précieuses, complémentaires aux observations instrumentales et satellitaires, pour couvrir en continu l’ensemble du continent. Mesurés le long de ces carottes de glace, les isotopes stables de l’eau sont traditionnellement utilisés pour quantifier les changements passés de la température locale.Cette thèse doctorale a été initiée dans le cadre du programme de l’Agence Nationale de la Recherche ASUMA (“Improving the Accurancy of SUrface Mass balance of Antarctica”), ayant pour objectif de reconstruire et identifier les processus contrôlant la variabilité spatio-temporelle du bilan de masse de surface (BMS) de la Terre Adélie. J’ai utilisé des données d’isotopes stables de l’eau enregistrées dans des carottes de névé, des simulations atmosphériques produites par le modèle atmosphérique de circulation générale de haute résolution ECHAM5-wiso équipé des isotopes stables de l’eau, des réanalyses atmosphériques, des rétro-trajectoires, ainsi que des observations instrumentales satellitaires et de surface.Dans une première partie, j’ai évalué les capacités du modèle ECHAM5-wiso à simuler les températures de l’Antarctique, le BMS, le δ18O et le d-excess (ci-après, d-excess), comme prérequis à l’exploitation du modèle pour interpréter les compositions isotopiques. J’ai développé des diagnostics pour les relations δ18O-température et d-excess- δ18O sur l’ensemble du continent de l’Antarctique, en montrant que les différences issues des pentes des relations δ18O-température spatiales, inter-annuelles et saisonnières. Au sein du groupe de travail international de PAGES (Past Global Changes) Antarctica2k, j’ai utilisé des calibrations établies issues du modèle ECHAM5-wiso pour reconstruire la température de 7 régions d’Antarctique à partir d’une synthèse d’enregistrements de δ18O issus de carottes de glace couvrant les 2 000 dernières années.Dans une seconde partie, de nouveaux enregistrements issus de deux carottes de névé extraites en Terre Adélie, la S1C1 et la TA192A, ont été exploités, couvrant respectivement les périodes 1947-2007 et 1998-2014. Les BMS reconstruits décrivent une grande variabilité spatiale (74,11 ± 14,1 cm w.e. y-1 et 21,8 ± 6,9 cm w.e. y-1 pour la TA192A et la S1C1 respectivement), cohérente avec les données de balise disponibles. En utilisant une base de données mise à jour des isotopes stables de l’eau de l’Antarctique, j’ai montré que les valeurs moyennes isotopiques de Terre Adélie appartiennent à l’intervalle des valeurs côtières de l’Antarctique. Des analyses statistiques montrent une absence de relation entre nos enregistrements avec la température de surface locale à l’échelle inter-annuelle, mais des relations significatives avec des rétro-trajectoires atmosphériques et des simulations isotopiques suggérant que les isotopes de l’eau de la Terre Adélie fournissent des indications de la variabilité de la dynamique atmosphérique et du transport d’humidité, aux échelles saisonnière et inter-annuelle.Les analyses de cette thèse ont été limitées par la quantité d’enregistrements isotopiques disponibles pour la Terre Adélie, ainsi que par le manque de compréhension des effets de dépôt et de post-dépôt. Il est donc nécessaire d’exploiter les nouvelles carottes de névé extraites au cours du programme ASUMA, et d’effectuer en continu des mesures de la composition isotopique des précipitations, de la vapeur d’eau et de la neige de surface de Terre Adélie, en combinaison avec des outils de simulations atmosphériques, tels que des rétro-trajectoires associées à un diagnostic des sources d’humidité, et des modèles atmosphériques de circulation générale et régionaux équipés des isotopes stables de l’eau. / Documenting recent Antarctic climate variability is needed in order to understand the mechanisms at play, associated with the role of Antarctic mass balance for global sea level rise. Proxy records from Antarctic shallow firn cores are precious data, which complement instrumental and remote sensing observations to continuously cover the whole continent. Within these ice cores, water stable isotopes are commonly used to quantify past changes in local temperature.This PhD thesis was initiated within the French Agence Nationale de la Recherche “Improving the Accurancy of SUrface Mass balance of Antarctica” (ASUMA) project, which aims to reconstruct and to identify the processes controlling the spatio-temporal variability of the surface mass balance (SMB) in Adélie Land. I used water stable isotopes records from recently drilled shallow firn cores, as well as atmospheric simulations performed with the high resolution atmospheric general circulation model ECHAM5-wiso model, equipped with water stable isotopes, atmospheric reanalyses and back-trajectories, instrumental and remote sensing climate observations.In a first part, I assessed the skills of the ECHAM5-wiso with respect to Antarctic temperature, SMB, δ18O and deuterium excess (hereafter d-excess), as a prerequisite for the exploitation of the model to interpret isotope compositions. I developed Antarctic-wide diagnostics of the δ18O-temperature and d-excess- δ18O relationships, showing differences in the spatial, seasonal and interannual δ18O-temperature slopes. Within the international working group of PAGES (Past Global Changes) Antarctica 2k, I used the calibrations inferred from ECHAM5-wiso to reconstruct temperatures over 7 Antarctic regions from a synthesis of ice core δ18O records spanning the past 2,000 years.In a second part, new water stable isotope records from two firn core drilled in Adélie Land, the S1C1 and the TA192A, were investigated, covering the periods 1947-2007 and 1998-2014 respectively. The reconstructed SMB display a high spatial variability (74.1 ± 14.1 cm w.e. y-1 and 21.8 ± 6.9 cm w.e. y-1 for the TA192A and S1C1 respectively), consistent with Adélie Land stake data. Using an updated database of Antarctic water stable isotope datasets, I showed that the mean isotopic values (δ18O and d-excess) in Adélie Land are in line with the range of Antarctic coastal values. Statistical analyses show no relationship between our records and local surface air temperature, at the inter-annual scale, but significant relationships with atmospheric back-trajectories and isotopic simulations, suggesting that water stable isotopes in Adélie Land provide fingerprints of the variability of atmospheric dynamics and moisture transport, at the seasonal and inter-annual scales.The analyses performed during this PhD thesis have been limited by the few available Adélie Land water stable isotope records, and by the lack of understanding of deposition and post-deposition processes. Further work is thus needed to exploit the new firn cores drilled within the ASUMA project, and to monitor continuously Adélie Land water stable isotopes in precipitation, surface water vapour and surface snow, in combination with tools of atmospheric simulations such as back-trajectory simulations provided with moisture sources diagnostics, as well as water stable isotopes-enabled atmospheric general and regional circulation models.

Ce travail de thèse est centré sur l'analyse des compositions isotopiques de la glace (d18O et dD) de deux nouvelles carottes de glace longues provenant des régions subtropicale et tempérée des Andes. La première carotte, longue de 42m, a été extraite en 2003 au col du glacier Coropuna au Pérou (72°39'W, 15°32'S, 6425m) et la deuxième de 122m au sommet du glacier San Valentin au Chili (46°35'S, 73°19'W, 4032m) en 2007. L'étude a porté sur la représentativité du signal isotopique comme archive du climat sur le dernier siècle, correspondant à la totalité de la carotte du Coropuna et les 70 premiers mètres au San Valentin, dans deux régions climatiques différentes. Nous avons observé que les enregistrements des signaux isotopiques sont affectés par des processus de post-dépôt. Au col du Coropuna, le signal est lissé par homogénéisation en dessous de 3m de profondeur à cause de la percolation d'eau de fonte et de la diffusion isotopique via un flux de vapeur, et aucune interprétation climatique n'est possible à partir du signal isotopique. Au so mmet du San Valentin, les vents forts, présents toute l'année, érodent et/ou redistribuent la majorité des précipitations annuelles en créant certainement des hiatus sur une voire plusieurs années ou, au contraire, des dépôts exceptionnels de plusieurs mètres. Ces conditions rendent l'identification des cycles isotopiques annuels difficile et aucune relation entre les isotopes et les paramètres climatiques n'a pu être établie due à une datation très incertaine. / This work is focused on the analyses of two new isotopic records (d18O and dD) from Andean ice cores in the subtropics and temperate latitudes. The first 42 m-long ice core was extracted in 2003 from the saddle of Coropuna glacier in Peru (72°39'W, 15°32'S, 6425 m), and the second 122 m-long core in 2007 from the San Valentin summit in Chile (46°35'S, 73°19'W, 4032 m). The isotopic signals were investigated for their suitability as climate archives over the last century, covering the 42 m-long ice core from Coropuna and the first 70 meters of the core from San Valentin, in two different climatic regions. We observed that the isotopic records are affected by post-depositional processes. At the saddle of Coropuna, isotopic homogenization occurs below 3 m as a result of meltwater percolation and isotopic diffusion, and thus the climatic interpretation is not possible. At the San Valentin summit, removal and/or re-deposition of snow by strong winds occurring throughout the year may create a lack of one or more annual snow layers or, on the other hand, may cause unexpected deposits of several meters. Due to these potential conditions, we cannot always identify the annual isotopic cycles and the isotopes histories show no significant correlation with the climatic parameters because of an uncertain dating.

Face à l’augmentation actuelle des pressions anthropiques sur les réserves d’eaux douces, leur préservation, et notamment celle des eaux souterraines, est primordiale. Les interactions entre les lacs et les eaux souterraines sont étudiées ici afin d’identifier si certains lacs peuvent être utilisés comme indicateurs de changements qualitatifs et quantitatifs des eaux souterraines, spécialement au Québec où plus de 10% du territoire est recouvert d’eaux douces avec un million de lacs recensés. Une vingtaine de petits lacs de Kettle, situés dans des dépôts fluvioglaciaires, ont été spécifiquement choisis pour leur très probable interconnexion avec les aquifères libres peu profonds. Les flux d'eaux souterraines ont été quantifiés via les bilans hydrologiques des lacs couplés aux deux traceurs naturels des eaux souterraines que sont les isotopes stables de la molécule d’eau et le radon 222.A l’échelle régionale, ces lacs présentent un apport annuel et un temps de renouvellement relativement rapide par les eaux souterraines. A l’échelle locale, la modélisation journalière multicouches d’un lac témoin (le lac Lacasse) montre l’importance de la mesure des traceurs, et leur complémentarité, sur la colonne d’eau en fonction des saisons. Différents scénarii d’évolution climatique et environnementale ont ensuite été testés sur les bilans hydrologiques à long terme. Les résultats montrent que la sensibilité de la composition isotopique des lacs à l’horizon 2050 face à l’évolution de la recharge est principalement contrôlée par le pourcentage que représente l’apport des eaux souterraines dans le total de leurs apports en eau, avec une sensibilité optimale pour une fraction de 50 à 80% des apports totaux. Par l’amélioration des connaissances sur les interactions entre lacs et eaux souterraines et sur les outils qui les mettent en évidence, ce travail de recherche a montré que la signature géochimique des lacs peut être utilisée comme indicateur du devenir des ressources en eaux souterraines face aux changements climatiques et environnementaux, pour une meilleure gestion durable de ces hydro systèmes. / In the face of modern anthropogenic pressures, the preservation of freshwater resources, particularly groundwater, is paramount. This study investigates interactions between small lakes and groundwater in Quebec, where more than 10% of the territory is covered by freshwater including one million inventoried lakes, to determine whether these lakes may be used as indicators of groundwater change. Twenty-one kettle lakes, set in fluvioglacial deposits, have been specifically targeted for this study due to the high likelihood of connection to shallow unconfined aquifers. Groundwater flows were quantified via lake water balances coupled with two natural tracers of groundwater: stable isotopes of water and Radon-222. On a regional scale the majority of these lakes are characterized by an important annual groundwater inflow and a short-to-medium groundwater flushing time. Daily multi-layer modeling of one of the study lakes, Lake Lacasse, highlights the importance of conducting measurements of these complementary tracers on the water column at the local scale. Different climate and environmental change scenarios were tested to determine the long-term evolution of lake geochemistry. The results indicate that the sensitivity of the isotopic composition of lake water to changes in recharge by year 2050 is mainly controlled by the amount of the total lake balance contributed by groundwater, with an optimum sensitivity for 50-80% of the total inflows contributed by groundwater. This research demonstrates that the geochemical signatures of lakes can be used to indicate future groundwater change in response to climate and environmental evolution, which may assist in improvements to the sustainable management of freshwater resources.