La Mer d'Alboran est un bassin arrière-arc situé à l'extrémité occidentale de la Mer Méditerranée ayant subi une évolution complexe. Basé sur une approche " terre-mer ", pluridisciplinaire, ce travail axé sur deux grandes thématiques de recherche vise à mieux comprendre les modalités d'ouverture et de déformation des bassins sédimentaires au cours du Néogène en étudiant notamment un événement majeur de l'histoire de la Mer Méditerranée, la Crise de salinité messinienne.L'étude tectonique et sédimentaire du bassin Ouest-Alboran, a permis de construire un nouveau schéma d'évolution tectonique et sédimentaire au cours du Miocène. L'initiation de la subsidence s'est effectuée au gré de grandes zones de cisaillement crustales affectant le socle métamorphique. La subsidence est ensuite contrôlée par la traction du panneau plongeant lithosphérique sous-jacent. Dans les Cordillères Bétiques, une seconde génération de bassins, dont celui de Sorbas, s'est développée le long de dômes métamorphiques exhumés au cours d'une phase d'extension. Des reconstitutions paléogéographiques montrent que la formation des bassins de la Mer d'Alboran est en relation avec la subduction sous-jacente.Des études de terrain ont mis en évidence une importante phase d'érosion des bassins périphériques de la Mer d'Alboran en réponse à la Crise de salinité messinienne. Cette érosion subaérienne eut pour conséquence le creusement de canyons fluviatiles à terre qui ont été suivis en mer par l'analyse fine de profils sismiques. Un nouveau scénario est alors proposé afin d'expliquer la réouverture de la connexion avec l'Océan Atlantique après plus de 160.000 ans d'émersion. / The Alboran Sea is a back-arc basin located at the western end of the Mediterranean Sea, and has been affected by complex tectonic settings during its history. Based on a multidisciplinary "land-sea" approach, this work focuses on two major research topics: it aims (1) to better understand the opening and deformation processes of two key sedimentary basins during the Neogene, and (2) to study the effects and imprints of the Messinian Salinity Crisis onto the basins.Tectonic and stratigraphic analysis of the thickest sedimentary accumulation called Western Alboran Basin (WAB) led to build an original tectonic scenario in the Miocene. Inception of extension was triggered by major crustal shear zones favoring the exhumation of the metamorphic basement. Then, the subsidence became most probably controlled by the slab-pull effect of the underlying oceanic slab. In the Betic Cordilleras, a second generation of sedimentary basins, as the Sorbas Basin, developed along metamorphic core complexes exhumed during an extension regime. A set of paleogeographic maps proposes to explain the formation of the Alboran basins in relation with deep geodynamic processes.Field studies evidenced that peripheral basins bounding the Alboran Sea have been affected by a significant subaerial erosional phase in response to the Messinian Salinity Crisis. Stratigraphic analysis of seismic profiles demonstrated the onshore/offshore continuity of fluvial canyon morphologies recognized on land. A new scenario is then proposed to explain the reopening of the worldwide oceanic connection with the Mediterranean realm after more than 160.000 years of emersion.

L'Afrique nord-occidentale, ou le Maghreb, occupe une position géographique toute particulière car bien que partie intégrante du continent africain, elle possède une façade septentrionale intégrée au domaine méditerranéen et un domaine méridional semi-désertique ou désertique. Dans un premier lieu, des études paléomagnétiques et biostratigraphiques basées sur la faune de rongeurs ont été effectuées sur des dépôts continentaux de deux bassins algériens (Tafna et El Eulma). L'étude magnétostratigraphique réalisée dans ce travail a permis de dater avec précision les différents gisements fossilifères et de les corréler avec les autres bassins néogènes d'Afrique du Nord.Dans la seconde partie, les nouvelles prospections paléontologiques dans le bassin d'Aït Kandoula au Maroc méridional ont amené à découvrir trois gisements fossilifères datés du Miocène terminal. Ces gisements ont livré une riche faune de micromammifères associés à des restes de grands mammifères. L'étude systématique des micromammifères et plus particulièrement des rongeurs des deux gisements AF12-1 et AF12-2 a permis d'identifier des taxons qui ont des affinités avec ceux d'Europe sud-occidentale. Ces deux nouveaux sites ont fourni de nouvelles indications quant aux échanges de faunes entre l'Afrique et l'Europe. Le genre Stephanomys est notamment signalé pour la première fois au Maroc. L'étude biochronologique couplée avec l'étude magnétostratigraphique a permis de bien dater ces gisements, apportant ainsi des indications fiables quant à la chronologie de différentes phases d'échanges fauniques entre l'Afrique nord-occidentale et l'Europe sud-occidentale. Les premiers échanges fauniques ont eu lieu 0,25 Ma avant la crise de salinité messinienne. En outre, certains taxons identifiés dans AF12-2 (Myocricetodon, Protatera, Atlantoxerus) se révèlent utiles comme indicateurs paléoenvironnementaux, attestant des conditions climatiques chaudes et sèches. / North-western Africa, or the Maghreb, occupies a special geographic position, being an integral part of the African continent, but also consisting of an integrated northern Mediterranean area and of a semi-desert or desertic southern area. In the first part, paleomagnetic and biostratigraphic studies based on rodent faunas were carried on continental deposits of two Algerian basins (Tafna and El Eulma). The magnetostratigraphic study realized in this work allowed to estimate the age of various fossiliferous deposits, and to correlate them with various other Neogene basins of North Africa.In the second part, new paleontological prospections in the Aït Kandoula basin (Morocco) led to the discovery of three fossiliferous deposits dated back to late Miocene. These deposits delivered a rich micromammalian fauna associated with large mammal remains. The systematic study of small mammals and especially rodents of deposits from both AF12-1 and AF12-2 allowed identifying taxa which have affinities with those of south-western Europe. These two new localities provide new information on the exchanges of faunas between Africa and Europe. The genus Stephanomys is reported here for the first time in Morocco. The biochronologic and magnetostratigraphic studies provide reliable information for the chronology of various phases of faunal exchanges between north-western Africa and south-western Europe. Faunal exchanges took place 0.25 Ma before the Messinian Salinity Crisis. In addition, some of the taxa identified in AF12-2 (Myocricetodon, Protatera, Atlantoxerus), are useful as paleoenvironmental indicators, attesting warm and dry climatic conditions.

La formation du gypse (CaSO4.2H2O) dans les bassins marginaux méditerranéens au cours du Messinien est contrôlée par la restriction des bassins et par le cycle hydrologique local. La compétition entre l’évaporation et l’apport d’eau douce par les rivières, en association avec des échanges limites avec la Méditerranée, ont permis la mise en place de conditions chimiques favorables à la formation du gypse. La restriction des bassins entraine, de plus, l’augmentation de la consommation de l’oxygène par les microorganismes, l’anoxie, et la mise en place d’un cycle biogéochimique actif du soufre. Au cours de cette étude, j’utilise la composition isotopique stable du gypse en tant que traceur des cycles de l’eau et du soufre dans les bassins marginaux. Le but est de mieux comprendre les conditions hydrologiques et géochimiques qui ont mené à la précipitation du gypse. Ce problème se place dans un débat actuel de la communauté scientifique, particulièrement depuis que de récents travaux proposent qu’une partie du gypse dans les bassins marginaux aurait pu précipiter à partir d’une colonne d’eau à faible salinité (£ 35 PSU) - hypothèse qui peut sembler peu réaliste d’un point de vue géochimique. J’ai mené une analyse isotopique à haute-résolution des couches de gypse qui composent les alternances cycliques gypse-marnes dans les bassins messiniens de Caltanissetta (BC, Sicile) et du Piémont (BP, nord-ouest de l’Italie). Ces alternances gypse-marnes correspondraient à l’expression sédimentaire des cycles astronomiques de précession (~20 ka), pendant lesquels les bassins marginaux ont subi une alternance de conditions climatiques arides et humides. Le cycle hydrologique a été trace grâce aux mesures des compositions isotopiques de l’oxygène et de l’hydrogène de l’eau de cristallisation des gypses ; le cycle biogéochimique du soufre a quant à lui été trace en mesurent les compositions isotopiques du soufre et de l’oxygène des ions sulfates des gypses. J’ai pu observer que : (1) les isotopes de l’eau piégée dans les gypses sont nettement plus légers que ceux théoriquement attendus pour des gypses ayant précipite uniquement à partir d’une eau de mer, et (2) l’eau du BC est caractérisée par un plus fort déficit en deutérium - compare à sa teneur en 18O - que l’eau du BP. Combine a un modèle hydrologique numérique, ces observations impliquent que (1) la précipitation des gypses est réalisée sous l’influence d’un apport d’eau douce fluviatile important, particulièrement au nord du BP, et est donc caractérisée par de très faibles salinités (27-50 psu pour le BC et 10-42 psu dans le BP) ; (2) le contraste de déficit en deutérium entre les deux bassins résultant de la différence de teneur en deutérium des flux évaporais respectifs, est contrôlée par a une différence d’humidité atmosphérique : cela implique que l’atmosphère au-dessus du BC était plus sèche que celle au-dessus du BP. Nous pouvons alors proposer qu’un gradient latitudinal d’humidité relative similaire à l’actuel existait au Messinien, apportant la preuve d’un climat de type méditerranéen dans la région il y a 5.97 Ma. La composition isotopique des ions sulfate suggère globalement une formation de gypse sous influence marine. Cependant, des divergences observées avec la signature marine messinienne mettent en évidence un cycle biogéochimique du soufre actif, contrôlé par la réduction des sulfates et l’oxydation des sulfures. En particulier : (1) les sulfates du BP enrichis en 18O et 34S sont indicateurs d’une sulfato-reduction dans un système géochimique ouvert ou la perte de 32S est liée a la formation de minéraux soufres sédimentaires ; (2) l’enrichissement (BC) ou l’appauvrissement (BP) significatifs en 18O dans les échantillons alors que la teneur en 34S est la même que celle de l’eau de mer indique une reoxydation de sulfure dans un système géochimique ferme d’un bassin marginal soit évaporait (BC) soit dilue (BP). / The formation of gypsum (CaSO4.2H2O) in Messinian Mediterranean marginal basins is controlled by basin restriction and the local hydrological cycle. Acting together, evaporation, river input and restricted water exchange with the Mediterranean basin bring about the chemical conditions for gypsum formation. Basin restriction also leads to enhanced microbial oxygen consumption, anoxia, and the triggering of active biogeochemical sulfur cycling. In this work I use the stable isotopic composition of gypsum as a proxy of water and sulphur cycling in the marginal basins. The goal is to better understand the hydrological and geochemical conditions that lead to gypsum precipitation. This is an open question, especially since recent work has proposed that part of the gypsum in marginal basins precipitated from a low-salinity (£ 35 PSU) water column - a hypothesis that seems unrealistic based on simple geochemical considerations. I carried out a high-resolution isotopic study of gypsum layers composing gypsum-marl cycles in the Messinian Caltanissetta (Sicily) and Piedmont (north-western Italy) marginal basins (CB and PB, respectively). These gypsum-marl cycles are thought to be the sedimentary expression of astronomical precession cycles (~20 kyr), during which the marginal basins experienced a succession of arid and wet conditions. The hydrological cycle was tracked by measuring the oxygen and hydrogen isotope composition of the gypsum-bound water molecule; the biogeochemical sulfur cycle was tracked by measuring the sulfur and oxygen isotope composition of the gypsum sulfate ion. I observed that: (1) the isotopes of gypsum-bound water are considerably lighter than those expected for gypsum precipitated via evaporation of seawater, and (2) water in the Caltanissetta basin was characterized by a higher deuterium deficit - compared to its 18O content - than water in the Piedmont basin. In conjunction with a hydrological box-model, these observations imply that (1) gypsum precipitation takes place under the influence of large riverine freshwater fluxes, particularly in the North Piedmont basin, that result in very low salinities (27-50 psu in CB and 10-42 psu in PB) and (2) the contrast in deuterium deficit results from atmospheric humidity-drived difference in the deuterieum content of the evaporative flux, implying that the atmosphere over the CB was drier than that over the PB. Thus, a latitudinal relative humidity gradient similar to the modern one existed in the Messinian, providing evidence for a Mediterranean-like climate in the region 5.97 million years ago. The isotopic composition of the gypsum sulfate ion suggests that it originates from coeval sea water. Deviation from the Messinian marine signature, however, highlights an active biogeochemical sulfur cycle driven by sulfate reduction and sulfide oxidation. In particular, (1) 18O- and 34S-rich sulfate in the Piedmont basin indicates sulfate-reduction in a geochemically open system where 32S is lost to sedimentary sulfide minerals, and (2) significant 18O-enrichment (CB) or 18O-depletion (PB), in samples where the 34S concent is that of seawater, indicates re-oxidation of sulphide in a geochemically closed system of an evaporative (CB) or dilution (PB) marginal basin. A strong relation between the hydrological cycle and the biogeochemical cycle is thus highlighted in marginal Messinian basins

L’évolution géodynamique et physiographique de l’espace Méditerranéen, en particulier au sein des bassins bordiers de Valence et Adriatique, sont intimement liées à l’héritage anté-Néogène. L’identification de la segmentation des bassins et leur implication dans l’histoire tectonique et environnementale au Néogène, en particulier lors de la crise d’érosion et de salinité Messinienne (MESC - 5.96-5.32 Ma), reste cependant méconnus et font l’objet de ce travail de recherche. Afin de les mettre en lumière, nous proposons une vision complète du remplissage sédimentaire Néogène des deux bassins, sur la base d’une compilation de profils sismiques et de forages industriels. Nos résultats illustrent une segmentation du domaine Valence-Provençal en trois sousbassins d’âges, de subsidences et de nature crustales différentes. Un nouveau scénario cinématique est proposé à l’échelle des bassins Valencien et Algérien. Cette segmentation met en lumière lors de la MESC un système complet de vallées incisées fluviatiles long de plus de 270 km. Associé aux différents cortèges sédimentaires, un nouveau regard est jeté sur l’événement Messinien et le paradoxe d’ouverture du bassin de l’Ebre. Au sein du domaine Adria, l’héritage Mésozoïque contrôle en premier lieu les environnements néogènes, où deux dépocentres majeurs se distinguent de part et autre du seuil composite Apulien-Gargano-Pelagosa. La propagation des fronts de déformations Albanide et Apennin se surimpose à cet héritage et contrôle la sédimentation et les mouvements verticaux de ces dépocentres La période Messinienne est alors perçue comme une phase de réorganisation tectonique majeure, cette dernière se surimposant à la MESC. / The geodynamic evolution of the Mediterranean area, especially in the Valencia and Adriatic basins, is strongly influenced by its ante-Neogene history. The localization of existing thresholds at that time, and their impact on the following tectono- sedimentary evolutions still remain largely unknown. In this work, we will try to reconstruct this evolution and better understand the part of these thresholds, in particular during the Messinian Erosional and Salinity Crisis (MESC, 5.96-5.32 Ma). We provide here a complete view of the Neogene sedimentary infilling for the both Valencia and Adriatic basins thanks to a compilation of seismic profiles correlated to industrial boreholes.Our results allow us to individualize the Valence-Provençal domain into three subbasins whose ages, subsidence and crustal nature differ. A new kinematic and geodynamic scenario for the Valencia and Neogene Algerian basins is proposed here. This segmentation provides also information about MESC. We highlight a fully incised-valley system whose length reaches more than 270 km, the latter associated with the development of several system tracts. Overall, these interpretations lets us look the Ebro basin connection paradox from a different angle.The Mesozoic Apulian-Gargano-Pelagosa composite threshold mainly control the Neogene sedimentation in the Adria domain and distinguishes two main depocenters. The propagating of the Albanid and Apennine deformation fronts control also the evolution of vertical movements and the sedimentation. Our results imply that the Messinian period corresponds to a major tectonic and/or kinematic reorganization phase within which the MSC is a superimposed event.

Triple oxygen and hydrogen isotope analysis of the structurally-bound water in gypsum can provide a direct measure of past hydrologic variability. This thesis presents the development of the water extraction and isotopic measurement procedures, the calculation of the gypsum-water isotope fractionation factors, and the application of the method to constrain the palaeohydrologic conditions in two temporally and geographically disparate sites. Measurement of the isotopic composition of gypsum hydration water is used to examine the hydrological changes that occurred during the Terminal Classic Drought of the Maya lowlands (~800-1000 CE), coincident with the period when the Classic Maya Civilization of Mesoamerica collapsed. The data provide a complete and direct archive of hydrological conditions that have previously been limited to ice core records. Mean annual rainfall is shown to have decreased by between 41% and 54%, with intervals of up to 70%, compared to present-day conditions. This study has also shown for the first time that relative humidity was 2%-7% lower during the Terminal Classic Drought compared to today. The methodology is also applied to the massive gypsum deposits in the marginal and deep basins of the Mediterranean to interpret the chemical evolution of parent water bodies during the Messinian Salinity Crisis (5.97-5.3 Ma). By combining the measurement of gypsum hydration water with other traditional (e.g. strontium) and novel (e.g. calcium and barium) isotope tracers, the hydrological changes during the deposition of Primary Lower Gypsum units of the Sorbas Basin in southeastern Spain, the Upper Gypsum units of Sicily, and deep basin deposits have been constrained. The results indicate that all deposits experienced a significant freshwater contribution to the mother fluids from which they formed. It is proposed that obliquity-controlled sea level and eccentricity-modulated precession, superimposed on longer-term tectonic restriction of the Mediterranean-Atlantic exchange, together controlled the varying depositional environments during the formation of the Messinian Salt Giant. This thesis demonstrates that the analysis of gypsum hydration water is a powerful tool for palaeoclimate reconstruction. The methodology can be applied to gypsum (and other hydrated minerals) in a wide range of settings across geological space and time, providing a rich source of information about the environmental conditions under which they formed.

La marge provençale, localisée au Nord-Ouest de la Méditerranée, constitue avec la marge du Golfe du Lion et la marge ligure, la bordure septentrionale du bassin Liguro-Provençal. L'objectif principal de ce travail est la reconstitution de l'histoire géodynamique, structurale et géomorphologique de la marge depuis le Tertiaire. Sa structure est principalement le résultat des phases tectoniques anté-miocènes. Sur la marge provençale la transition entre le plateau continental et le bassin est étroite et caractérisée par des pentes abruptes affectées par des phénomènes d'instabilité gravitaire dans l'axe du canyon sous-marin de Cassidaigne. A terre, la marge provençale est caractérisée par une compression pyrénéenne, des fossés oligocènes, et une sédimentation mésozoïque à cénozoïque essentiellement carbonatée propice à l'infiltration des eaux en profondeur. L'origine des cours d'eau de la région est essentiellement karstique, et les sources côtières de Port-Miou et Bestouan constituent des réseaux karstiques noyés développés sur plusieurs kilomètres dans le calcaire urgonien, au droit du canyon de Cassidaigne. Les travaux antérieurs suggèrent que l'absence de réseau fluviatile de surface en amont et la forme de reculée karstique de la tête du canyon de Cassidaigne sont le résultat d'une connexion karstique entre les sources côtières et le canyon, que la marge provençale n'ait pas été affectée par l'érosion messinienne et la transgression pliocène, que certains dépôts transgressifs marins miocènes sont situés à des altitudes anormalement élevées par rapport à leurs niveaux de dépôt théorique. / The Provence Margin is situated in the north-western Mediterranean and constitutes the northern edge of the Liguro-Provençal Basin with the margins of the Gulf of Lion and Ligurian sea. The main objectif of this thesis is the reconstruction of the geodynamic, structural and geomorphologic history of the margin since the Tertiary. This margin is mainly structured by ante-miocene tectonic events. On the Provence Margin, transition between the continental plate and the basin is narrow and characterized by abrupt slopes and associated gravitary instability within the axis of the Cassidaigne canyon. The Provence Margin is characterized by Pyrenean compression and Oligocene extension. The Mesozoïc-Cenozoïc sedimentary pile is dominated by carbonate rocks favorable to water circulation. The origin of the river system in the region is essentially karstic, and the coastal springs of Port-Miou and Bestouan correspond to drowned karstic network that develop along tens of kilometers within the Urgonian limestone, updip of the Cassidaigne Canyon. Previous work suggest (1) that the lack of updip river system and the karst pocket valley shape of the canyon head are the result of an active karstic connexion between the coastal springs and the canyon, (2) that the Provence Margin is not affected by the Messinian erosion and Pliocene transgression, and (3) that Miocene marine transgressions are preserved at higher altitudes than their theoretical level. These facts witness a recent tectonic deformation that is not well understood. This work is based on the integration of geology, geomorphology and hydrogeology with the aim to understand evolution and functioning of coastal karsts

Le Golfe du Lion et le Bassin Provençal sont l’objet de recherche intensive à toute échelle de temps et d’espace. Cependant, les budgets sédimentaires et les mouvements verticaux depuis la formation de la marge étaient restés inconnus ou sources de controverses. Ce travail se propose d’aborder leur quantification à partir de l’interprétation de nombreux profils sismiques, d’après les concepts de stratigraphie sismique et séquentielle [Vail et al., 1977], complétée par des données de forages et de sismique réfraction, et validée par des modélisations stratigraphiques avec Dionisos [Granjeon and Joseph, 1999]. L’établissement d’une continuité stratigraphique entre le domaine de plate-forme et le bassin profond offre une vision complète du remplissage sédimentaire de la marge. Les repères stratigraphiques du Plio-Pléistocène (2.6 Ma, 1.6 Ma, 0.9 Ma et 0.45 Ma) ont en effet été corrélés jusqu’au pied de pente. Les jalons messiniens, établis lors des travaux précédents [Bache, 2008] ont également été étendus et précisés localement. La mise en évidence d’une nouvelle unité, interprétée comme les résidus de l’abrasion lors de la transgression mettant fin à la célèbre crise, permet d’apporter des arguments pour l’établissement d’un nouveau scénario de l’évènement [Bache et al., 2012a](soumis). Des lois de conversion en profondeurs (métriques) des différentes unités chronostratigraphiques ont ensuite été établies en 3D à partir de l’ensemble des données de forage et de réfraction (ESP) et appliquées pour chacune de nos unités. Les profondeurs de l’ensemble des jalons plio-pléistocènes et messiniens ont ainsi pu être cartographiées, ainsi que les épaisseurs de chacune des unités définies depuis le substratum jusqu’à l’actuel (1 au Miocène, 6 au Messinien, 5 au Plio-Pléistocène). Les épaisseurs et volumes sédimentaires déposés ont alors pu être quantifiés sur chaque intervalle stratigraphique. Les séries sédimentaires ont été par la suite décompactées et les volumes "vrais" de dépôts et flux sédimentaires recalculés. / The Gulf of Lions and the Provençal basin have been studied intensively at variable timescale. However, sedimentary budgets and vertical movements of the margin remained largely unknown. This work aims to quantify them using a large grid of seismic data and their interpretations with seismic and sequential stratigraphy concepts [Vail et al., 1977], correlations with existing drillings, refraction data and validation by numerical stratigraphic modeling with Dionisos [Granjeon and Joseph, 1999].A stratigraphic continuity of reflectors from the platform to the slope and to the deep basin has been established describing the architecture of the sedimentary filling of the entire margin. Plio-pleistocene stratigraphic markers (at 2.6 My, 1.6 My, 0.9 My and 0.45 My) have been correlated down to the foot of slope. The Messinian units underlined by previous studies [Bache, 2008] were also extended and/or detailed in specific areas. A new unit is described and interpreted as the residuals of the abrasion during the transgression which ended the famous messinian crisis. This allowed us to bring some new arguments for a new scenario of the event [Bache et al., 2012a](submitted). Drillings and refraction data led to 3D time-depths conversion laws for our chronostratigraphic units. We were therefore able to produce all the Plio-Pleistocene and Messinian maps in meters as well as the thickness maps of all units defined above the substratumuntil today (1 for the Miocene, 6 for the Messinian, 5 for the Plio-Pleistocene). The thicknesses and the sedimentary volumes were then quantified for every stratigraphic intervals. After decompaction, "true" volumes of deposits as well as sedimentary fluxes were therefore recalculated.