La poussière minérale est l'aérosol le plus abondant injecté dans l'atmosphère. Les surfaces de poussière peuvent être le siège de phénomènes d‘adsorption et de transformation hétérogène de gaz traces et peuvent affecter la teneur en espèces clés atmosphériques. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail était l'étude expérimentale de la réactivité de particules minérales avec des gaz traces atmosphériques. L'interaction de réactifs gazeux (NO2, HONO, H2O2, OH, HO2) avec des oxydes minéraux (TiO2, Al2O3, Fe2O3, Arizona Test Dust) a été étudiée à l'aide d'un photoréacteur mis en place dans le cadre de la thèse pour des études de processus hétérogènes photochimiques. Le photoréacteur consiste en un tube à écoulement (irradié par 6 lampes UV) à basse pression (quelques Torr), couplé à l‘analyse des espèces par un spectromètre de masse quadripolaire à ionisation par impact électronique. Les coefficients de capture (ou probabilité de perte d'une espèce gazeuse par collision avec la surface réactive) ainsi que les produits de réactions hétérogènes ont été déterminés en fonction de différents paramètres tels que la masse du film minéral, la concentration initiale du réactif gazeux, la température, l‘humidité relative, la concentration d'oxygène et l'intensité d'irradiation UV. Les mécanismes des processus hétérogènes étudiés et leurs implications atmosphériques ont été discutés. En particulier, les données obtenues indiquent que la contribution de l'aérosol à la perte totale de HONO dans la couche limite planétaire est négligeable. A l‘inverse, l'interaction de H2O2 et des radicaux HO2 avec des aérosols minéraux peut être un puits non négligeable d'espèces HOx (OH, HO2) dans la troposphère avec un effet sur le pouvoir oxydant de la troposphère. / Mineral dust is the most abundant aerosol injected into the atmosphere. The dust surfaces provide the seedbed for adsorption and heterogeneous transformation of trace gas molecules and can affect the content of key atmospheric species. In this context, the goal of the present work was the experimental investigation of the reactivity of mineral dust particles toward trace atmospheric gases. The interaction of gaseous reactants (NO2, HONO, H2O2, OH, HO2) with mineral oxides (TiO2, Al2O3, Fe2O3, Arizona Test Dust) was studied using a photoreactor developed during this work for studies of heterogeneous photochemical processes. The photoreactor comprises a low pressure (several Torr) flow reactor (irradiated with 6 UV lamps) combined with an electron impact ionization quadrupole mass spectrometer for analysis of gas phase species. The uptake coefficients (determined as the probability of gas species loss per collision with reactive surface) as well as the products of heterogeneous reactions were determined as a function of different parameters such as the mass of mineral film, initial concentration of the gaseous reactant, temperature, relative humidity, concentration of oxygen and UV irradiation intensity. The mechanisms of the heterogeneous processes studied and their atmospheric implications are discussed. In particular, the data obtained in the present work indicate that the contribution of the aerosol to the total loss of HONO in the planetary boundary layer is negligible. Instead, the interaction of H2O2 and of HO2 radicals with mineral aerosols may be an important sink for HOX (OH, HO2) species in the troposphere with an effect on the oxidative capacity of the troposphere.

Ce travail de thèse s'intéresse à la relation entre la composition des phases Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) et leurs propriétés structurales. La première partie de ce manuscrit est consacrée à la formation et aux propriétés structurales de ces matériaux. L'effet de la nature des cations (MgII, NiII, CoII ; AlIII, FeIII) et de leur stoechiométrie dans le feuillet (MII/MIII E [2 ; 10]) constitue les axes principaux de ces travaux. L'étude du comportement hydrolytique d'un mélange de cations divalents et trivalents en fonction de leurs proportions en solution a permis de proposer un mécanisme topotactique de formation de ces phases HDL. Il a aussi été montré que la variabilité stoechiométrique du feuillet ne dépend que de la nature des cations. Ainsi, des modèles électrostatiques ont été proposés afin de rationaliser et prédire la gamme de composition de ces phases HDL en fonction de la nature des cations. La seconde partie est dédiée aux propriétés du milieu interfoliaire. Une étude couplant des analyses par spectroscopies vibrationnelles infrarouge et Raman et par diffraction des Rayons X a permis d'apporter une description précise de l'influence de la nature des cations, et de leurs stoechiométries sur l'organisation des anions dans le milieu interfoliaire (Cl-, CO32-, NO3-, ClO4-, acides aminés). Le rôle de l'eau dans ces phases a également été étudié. Dans le cas des hybrides organo-minéraux, il a été montré que la charge dicte l'orientation des acides aminés intercalées et par conséquent, leur réactivité envers la formation de la liaison peptidique. Également, les propriétés énantioselectives du domaine interfeuillet sont mises en avant pour la formation de peptides / This manuscript is devoted to the comprehension of the relationship between the composition of Layered Double Hydroxides (LDH) and their structural properties. The first part of this manuscript is focalized on the formation and the structural properties of these materials. The influence of the cationic nature (MgII, NiII, CoII ; AlIII, FeIII) and their stoichiometries within the layer (MII/MIII E [2 ; 10]) constitutes the main axis of these investigations. The study of the hydrolytic behavior of a solution containing a mixture of divalent and trivalent cations as a function of their relative proportion allowed to propose a topotactic mechanism of formation of LDH phases. Moreover, it has been showed that the composition range is solely dependent on the nature of the cations. Thus, electrostatic models were designed to rationalize and predict the composition range as a function of the cationic nature. The second part is concerned with the properties of the interlayer domain. A joint study, coupling vibrational spectroscopies (Infrared and Raman) and X-ray diffraction allowed a detailed description of the influence of the cations and their stoichiometries on the organization of the interlayer anions (Cl-, CO32-, NO3-, ClO4-, aminoacids). The role of the interlayer water has also been investigated. Concerning hybrid organo-minerals, it has been showed that the layer charge dictates the orientation of the interlayered aminoacids, and consequently, their reactivity toward the formation of the peptide bonds. The enantioselective properties of the interlayer domain are highlighted toward the formation of peptides

Cette thèse porte sur l’impact du type de sol sur le fonctionnement biogéochimique d’un écosystème forestier typique d’Europe centrale et occidentale. Pour cette étude, un dispositif expérimental a été mis en place par l’INRA et l’ANDRA au sein d’une hêtraie (Fagus sylvatica) dans la forêt de Montiers-sur-Saulx (Meuse, France) afin de suivre les cycles biogéochimiques entre les différents compartiments de l’écosystème (l’atmosphère, la canopée, la litière et le sol). L’intérêt particulier du site expérimental de Montiers vient du contraste important entre les types de sols pour un même peuplement : rendisol, calci-brunisol et alocrisol/brunisol. Pour la première fois, les stocks et les flux de l’eau et des éléments ont été mesurés et comparés in situ et sur le long terme (entre janvier 2012 et décembre 2015) sur des sols forestiers différents, toutes les autres conditions du site égales par ailleurs (climat, apports atmosphériques, âge et structure du peuplement). Les stocks totaux et échangeables dans le sol et les stocks dans les différents compartiments de la biomasse végétale (branches, tronc, racines grosses et fines) ont été déterminés par le biais d’analyses chimiques et de modélisations. Les flux élémentaires ont été calculés à partir des prélèvements mensuels des solutions de l’écosystème (dépôt atmosphérique, pluviolessivat, écoulement de tronc, solutions libres et liées du sol) et des chutes de litière. Le modèle hydrique BILJOU© a été utilisé pour estimer les composantes du bilan hydrique de l’écosystème. Les résultats montrent que la réserve utile du sol, les stocks des éléments dans le sol, les compositions chimiques des solutions du sol, la stratégie de colonisation racinaire et la production de biomasse pérenne diffèrent fortement en fonction du type de sol. Contrairement à ce que l’on pouvait supposer compte tenu des différences marquées entre les signatures chimiques des solutions des trois sols, les compositions foliaires du peuplement et les flux des éléments hors sol en solution (échange de la canopée, apport au sol) et sous forme solide (chute de litière) ne diffèrent pas ou peu entre les trois stations expérimentales pour la majorité des éléments. La part biologique des cycles minéraux est globalement prédominante et le renouvellement des racines fines représente un flux de recyclage généralement supérieur à la chute de litière aérienne. Nous montrons également que la quantité d’eau transpirée par la canopée, directement liée à la taille de la réserve utile du sol, est le facteur de contrôle principal de la productivité du peuplement à l’échelle annuelle. Des processus d’adaptation du peuplement aux conditions physico-chimiques du sol semblent réduire, voire compenser entièrement, les facteurs secondaires de contrôle de la productivité du peuplement (notamment la disponibilité des nutriments dans le sol). Ainsi un enjeu significatif pour les gestionnaires forestiers pourrait être l’adaptation des pratiques sylvicoles à des parcelles de gestion davantage basées sur les propriétés physiques des sols, et en particulier les profondeurs d’apparition de la roche-mère et de colonisation racinaire / This thesis deals with the impact of soil type on the biogeochemical functioning of a typical forest ecosystem of Central and Western Europe. For this study, a strongly instrumented experimental site was implemented in a beech stand (Fagus sylvatica) within the state forest of Montiers-sur-Saulx (Meuse, France), in order to monitor the biogeochemical cycling between the different compartments of the ecosystem (the atmosphere, the canopy, the forest floor and the soil). The particular value of the Montiers experimental site resides in the strong contrast between soil types under the same beech stand: Rendzic Leptosol, Eutric Cambisol and Dystric Cambisol. For the first time, stocks and fluxes of water and elements were measured and compared in situ and over the long term (from January 2012 to December 2015) on different forest soil types, all other site conditions being equal (climate, atmospheric inputs, stand age and structure). Total and exchangeable pools in the soil and stocks in the different compartments of the vegetation (branches, trunk, fine and coarse roots) were determined via chemical analysis and modelisation. Fluxes of elements were calculated from monthly sampling of the ecosystem’s solutions (atmospheric deposition, throughfall, stemflow, gravitational and bound soil solutions) and of litter fall. The water balance model BILJOU© was used to estimate the different components of the water budget. The results show that the soil water holding capacity, the stocks of elements in the soil, the chemical composition of soil solutions, the rooting strategy and the perennial biomass production differ strongly between soil types. Contrary to what might have been expected in regard to the marked differences between the chemical signatures of the soils solutions in the three soils, the foliar elemental composition of the beech stand and the aboveground fluxes of elements in solution (canopy exchange, stand deposition) and in solid state (litter fall) do not differ significantly between the three experimental stations for the majority of the studied elements. The biological part of the mineral cycles is overall predominant and the recycling through fine roots turnover is generally higher than litter fall. We also show that the quantity of water transpired by the forest canopy, directly linked to the soil water holding capacity, is the primary control factor of the annual stand productivity. Stand adaptation mechanisms to physico-chemical soil properties seemed to reduce, or even entirely compensate for, secondary factors controlling the stand productivity (in particular nutrient availability in the soil). Thus a significant issue for forest managers might be to further adapt forestry practices to management units based on soil physical properties, especially depth to the bedrock and rooting depth

Le processus d'aluminisation dans les sols acides, conduit à la formation de minéraux argileux hydroxy-alumineux (HIMs). La fixation d'aluminium dans l'espace interfoliaire diminue la réactivité des feuillets expansibles (feuillets HI). La caractérisation des HIMs issus d'un Alocrisol a été réalisée par modélisation des diffractogrammes de rayons X (raies 00l) de la fraction <2 µm et de ses sous-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 et 0.2-2 µm). Cette étude a montré que les HIMs sont des minéraux interstratifiés à deux ou trois types de feuillets (HI, illites et/ou expansibles). La proportion relative de feuillets HI par rapport à celle des feuillets expansibles diminue avec la taille des particules. La persistance de feuillets illitiques a été observée dans la fraction fine (<0.05 µm). Afin de tester l’effet de la taille des particules sur l'aluminisation, des expériences d'auto-aluminisation de vermiculites saturées K ou Ca séparées en trois fractions (0.1-0.2, 1 2 et 10-20 µm) ont été tentées. Toutes montrent l'importance du couple taille-cation interfoliaire sur le contrôle de l'échange et de la dissolution qui sont les processus de premier ordre pour l'aluminisation. C'est dans les expériences mettant en jeu les K vermiculites que la compétition entre ces deux processus conduit à la formation de minéraux interstratifiés aluminisés à trois composantes similaires à ceux identifiés dans les sols. L'effet de la taille des particules se marque par la persistance de feuillets illitiques comme cela avait été observé dans les fractions infra-micrométriques des sols. La compétition entre échange et dissolution sont donc très probablement le moteur des évolutions minérales dans les sols. / The aluminization process of clay minerals in acidic soils, leads to the formation of hydroxyl interlayered minerals (HIMs). It decreases the reactivity of the clay fraction by the fixation of aluminium in the interlayer space of expandable layers (HI). The characterization of HIMs from an Alocrisol was investigated through X-Ray Diffraction profile modeling (00l reflections) of the <2 µm size fraction and its sub-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 and 0.2-2 µm). The results obtained highlight the mixed layer structure of HIMs which is composed of two or three different layers (HI, illites and/or expendables). The relative proportion of HI layers compared to that of expandable ones decreases with the particle size. In addition, the persistence of illite layers has been observed in the <0.05 µm size fraction. Auto aluminization experiments of K-or Ca- vermiculite separated in three-sized fraction (0.1-0.2, 1-2 and 10-20 µm) have been conducted in order to test the influence of the particle size on the aluminization process. These experiments exhibit the key role played both by the interlayer cation and the particle size on the cationic exchange and the crystal dissolution. The competition between of ion-exchange reactions and that of mineral dissolution on the K-vermiculite experiment, leads to the formation of 3 component MLMs (HI, illite and expandable) similar to those found in acidic soils. A similar effect of particle size leading to the persistence of illite layers was observed between the experiment products and the infra-micrometric particles of soils. Consequently, it is highly probable that both cation exchange and dissolution are the main processes governing the mineral evolutions in soils.

Une nouvelle méthodologie fondée sur l’interfaçage de la géochimie et de la biologie a été utilisée pour étudier la durabilité d’un système d’agriculture irriguée face aux changements globaux (climat et urbanisation). L’étude de sa durabilité nécessite une vision dynamique spatio-temporelle de l’évolution d’un agrosystème irrigué, ici le système « irrigation – prairie (plante) – sol – nappe ». Pour cela, deux démarches sont utilisées : l’étude de terrain et la modélisation. L’étude de terrain comprend des suivis temporels et spatiaux de la qualité des eaux de surface, de la nappe phréatique et de la qualité du foin des prairies. La modélisation consiste en un modèle biogéochimique prenant en compte l’ensemble des compartiments réactionnels du système. Le fil directeur est constitué par les mécanismes d’acquisition de la composition chimique de l’eau lors de son transfert dans le sol depuis eau d’irrigation jusqu’à l’eau de nappe. Ces mécanismes sont étudiés du double point de vue de leurs bilans géochimiques et des réactions sol / solution. L’acquisition de données porte ainsi sur : (1) la composition chimique des eaux d’irrigation et des eaux souterraines de la nappe ; (2) la minéralogie des sols ; (3) la nature des engrais apporté ; (4) la quantité des éléments chimiques prélevés et exportés par les plantes. Le modèle biogéochimique consiste à interfacer le modèle de culture STICS et le modèle de géochimie PHREEQC. Ce modèle est capable de rendre compte de l’évolution des eaux lors de leur parcours dans le sol et de mettre en évidence les processus majeurs qui déterminent la qualité de l’eau ; en sortie, il permet d’établir des indicateurs géochimiques pertinents pour la gestion du système. Cette méthode est appliquée aux prairies irriguées en la Crau, au Sud de France. Le système d’irrigation gravitaire par les eaux de la Durance depuis le 16e siècle sur la Crau a construit un système agricole durable en amenant des alluvions sur les terres irriguées, sur lequel poussent les prairies (le foin de Crau (AOP)). De plus cette irrigation participe à plus de 70% au renouvellement des eaux de la nappe phréatique. L’analyse des données sur une longue durée (1960-2013), l’acquisition de données récentes et la modélisation montrent l’originalité et la durabilité de cet agrosystème irrigué et sa résilience face à une augmentation de température de 2°C, tant en ce qui concerne les rendements que la qualité du foin. Cependant dans la perspective des changements globaux, les prévisions tablent sur une disponibilité en eau pour l’irrigation en diminution, de plus des changements d’occupation du sol (10% de la surface totale), avec une réduction des prairies irriguées. Ceci risque de remettre en cause la durabilité de l’agrosystème irrigué et partant l’approvisionnement en eau à partir de la nappe de toute l’économie locale (300 000 habitants, les industries lourdes du site de Fos-sur-Mer). / A new methodology based on geochemistry and biology interfacing to study the sustainability of an irrigated agriculture system in the face of global changes (climate and urban sprawl). It requires construction of a spatio-temporal view of the ”irrigation - meadow (plant) - soil - groundwater” system evolution. Thereby two approaches are used : the field study and the modeling. The field study includes temporal and spatial survey of waters quality, plant quality and used fertilizers. The modeling consists of a biogeochemical model taking into account all the factors reaction of the system. The main theme is the mechanisms of acquiring the chemical composition of water during its transfer the soil horizon from irrigation water to groundwater. These mechanisms are studied from the double point of view of their geochemical balances and soil / solution reactions. The data acquisition thus relates to : (1) the chemical composition of irrigation water and groundwater ; (2) the soil mineralogy ; (3) the nature of the provided fertilizer ; (4) quantity of chemical elements uptaken by plants. The biogeochemical model consists in interfacing the crop model (STICS) and the geochemical model (PHREEQC). This model is able to perform the chemical evolution of waters during their pathway in the soil and to highlight the major processes that determine the water quality ; in output, it makes it possible to establish geochemical indicators relevant to the system management. The Crau is chosen as a demo area, South France, its grassland production is based on surface irrigation via channels withdrawn from the Durance River. Irrigation water is rich in minerals and trace elements thanks to alluvium brought, on which produce high quality hay that is regulated under appellation control since 1997. Additionally, this irrigation recharge the aquifer by 70% But it is threatened by global changes, which ultimately risks to compromising the sustainability of the irrigated grassland system. Data analysis over a long term (1960-2013), the acquisition of recent data and modeling show the originality and durability of this irrigated agrosystem and Its resilience to an increase in temperature by about 2°C, both in terms of yields and hay quality. However, according to future scenarios, declining of irrigation water is forecasted, and changes in land use by 10% of the total area, with a reduction in irrigated grassland areas. This may jeopardize the sustainability of the the irrigated agrosystem and thus the water supply for local use (300 000 inhabitants, the heavy industries of the Fos-sur-Mer site).

Le lait de chamelle constitue l'une des principales ressources alimentaires pour les peuples nomades. Malgré sa richesse en différents composants et sa production non négligeable au niveau mondial, ce produit demeure relativement peu transformé à cause du manque d’études menées sur les caractéristiques et les aptitudes technologiques de ce lait.Dans la première partie de cette thèse, l’évolution de la structure au cours de la coagulation enzymatique et acide des laits de chamelle et de vache crus et chauffés (50 et 70 °C) enrichis en minéraux (calcium et phosphate) a été étudiée. Les cinétiques de coagulation enzymatique et acide des échantillons du lait ont été suivies aux moyens du test de cisaillement dynamique et de la spectroscopie de fluorescence frontale. Les résultats obtenus ont permis, d’une part, de montrer des différences significatives entre les propriétés du coagulum obtenu à partir du lait de chamelle et celui du lait de vache, et d’autre part, d’évaluer l'impact de l’ajout des minéraux (calcium et phosphate) sur les propriétés du coagulum. L’analyse des spectres de fluorescence par analyse en composantes principales (ACP) a permis de caractériser sur le plan moléculaire la structure des gels, et également de discriminer les différentes conditions de coagulation. Les résultats rhéologiques ont montré que l’enrichissement de ces deux types de lait avec le calcium améliorait la fermeté du gel et diminuait le temps de gélification, alors que des effets inverses ont été observés suite à l’ajout du phosphate. L’analyse conjointe des données spectrales et rhéologiques au moyen de l’analyse en composantes communes et poids spécifiques (ACCPS) a montré une forte relation entre la structure au niveau moléculaire et la texture au niveau macroscopique. La deuxième partie de cette thèse a porté sur l’impact du traitement thermique (55 à 75 °C à différents intervalles de temps) sur les changements moléculaires du lait de chamelle. L’application de l’ACCPS aux spectres de la vitamine A, des produits fluorescents de la réaction du Maillard (PFRM) et du NADH a montré une bonne discrimination des échantillons en fonction du couple température-temps. Les résultats obtenus montrent que, de par sa rapidité, la spectroscopie de fluorescence frontale couplée aux méthodes chimiométriques présente un potentiel intéressant pour la caractérisation du lait de chamelle dans différentes conditions. En outre, le spectre de fluorescence d’un lait pourrait être considéré comme une empreinte digitale de celui-ci permettant de l’identifier. / Camel milk is one of the main food resources for nomadic people. Despite its richness in different components and its production in the world, this product remains poorly processed because of the lack of studies conducted on the characteristics and the technological abilities of this milk. In the first part of this thesis, the evolution of the structure during the enzymatic and acid coagulation of raw and heated (50 and 70 °C) camel and cow’s milk following the addition of minerals (calcium and phosphate) was studied. The kinetics of acid and enzymatic-induced coagulation of milk were followed using shear dynamic testing rheology at the macroscopic level and front-face fluorescence spectroscopy at the molecular scale. The obtained results showed significant differences between the properties of the coagulum that depends on the milk species and the level of added minerals (calcium and phosphate). The analysis of spectral data by principal component analysis allowed to characterize the coagulum structure at the molecular level as well as the discrimination of different coagulation conditions. The rheological results showed that the enrichment of both types of milk with calcium improved the gels firmness and reduced the gelation time, while opposite trend was observed following the addition of phosphate. The joint analysis of fluorescence spectral data and rheological measurements by applying common components and specific weights analysis showed a strong relationship between the structure at the molecular scale and the texture at the macroscopic level. The second part of this thesis focused on the impact of heat treatment (55 to 75 °C at different times) on the molecular changes in camel milk. The application of common components and specific weights analysis to the vitamin A, fluorescent Maillard reaction products and NADH fluorescence spectra enabled the discrimination of milk samples according to the temperature and time. The obtained results showed that front-face fluorescence spectroscopy coupled with chemometric tools enabled the characterization of camel milk in different conditions. Additionally, the fluorescence spectrum recorded on milk could be considered as a fingerprint allowing its identification.

Ce travail présente une étude multi-échelle des relations entre altération et minéralisation en uranium le long de la bordure Sud Est du bassin Méso-Protérozoïque du Thelon, au Nunavut, Canada. Les altérations associées aux minéralisations sont développées dans une série volcano-sédimentaire Archéenne appartenant à la ceinture de roche verte du Woodburn Lake Group (WLG). Elles s'expriment majoritairement par un assemblage à illite (polytypes 1Mcis & 1Mtrans) ± sudoite ± hématite et phosphates sulfates d'aluminium hydratés (APS). De plus des composés carbonés, cogénétiques des minéralisations, ont été identifiés comme des produits des réactions hydrothermales. La signature de l'altération, fortement guidées par les structures Est-Ouest du corridor de Kiggavik-Andrew Lake, apparaît alors très similaire à celle rencontrée dans les roches de socles des parties profondes des autres gisements d'uranium de type discordance du bassin d'Athabasca (Canada) ou de la Kombolgie (Australie). L'étude des marqueurs minéralogiques tels que les APS ont permis de mettre en évidence les transferts élémentaires au cours des processus métallogéniques et de distinguer les caractéristiques pétrographique et chimiques des processus diagénétiques et hydrothermaux. Enfin la compréhension fine de l'expression de marqueurs cristallographiques issus de l'irradiation naturelle des minéraux argileux donne de nouvelles pistes pour le traçage et la compréhension des circulations des radios-éléments à l'échelle géologique. / This work presents a multi-scale study of the relationships between alteration and uranium mineralization along the South Eastern margin of the Meso-Proterozoic Thelon Basin, Nunavut, Canada. The ore associated alterations are hosted in an Archean volcano-sedimentary sequence belonging to the Woodburn Lake Group (WLG). Their main expression is a mineral assemblage composed of dominant illite (1Mcis & 1Mtrans polytypes) together with sudoite ± hematite and aluminum phosphate sulfate minerals. Moreover carbonaceous materials cogenetic with the uranium mineralization have been identified as potential indicators of the hydrothermal conditions. At a regional scale, alteration is strongly controlled via East-West faults forming the main frame of the Kiggavik-Andrew Lake structural trend. Then from the regional to the mineral scale, alterations signatures at Kiggavik are similar to the ones described in deep basement rocks of unconformity type uranium deposits in both Athabasca (Canada) and Kombolgie (Australia) Paleoproterozoic basins. In addition mineralogical markers studies (APS minerals) lead to the distinction between hydrothermal and diagenetic processes as well as elemental transfers during fluid rock interaction. Finally, detailed studies on radiation induced defects on illite revealed new ways to tracing and better understanding the radio elements mobility in such deep seated natural systems.

Les minéraux argileux gonflants sont omniprésents dans tous les compartiments de la surface de la Terre et notamment dans les sols. La structure lamellaire de ces minéraux et leur faible taille leur confèrent une forte réactivité notamment vis à vis des polluants et nutriments qui sont présents dans les eaux porales des sols. Dans ce cadre, cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension des interactions entre des minéraux argileux gonflants et des cations nutritifs (calcium, strontium) et/ou d'intérêt environnemental (césium). Dans les sols, ces minéraux possèdent de larges distributions de taille et de cristallochimie (charge des feuillets). Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle de chacun de ces paramètres sur la réactivité de ces particules naturelles, nous avons travaillé avec des « systèmes modèles », représentatifs des particules argileuses des sols : des particules de vermiculite triées en taille et des saponites synthétiques avec des charges de feuillets contrôlées. Les résultats d'adsorption des cations étudiés (Cs, Sr) en compétition avec les cations majeurs des eaux naturelles (Na, Ca) ont été obtenus en couplant l'analyse chimique des solutions et la modélisation des réflexions 00ℓ des diffractogrammes de rayons X afin d'obtenir la distribution de cations entre les différents sites d'adsorption (interfoliaire vs externes). Une telle approche et l'utilisation des « systèmes modèles » nous ont permis d'obtenir des paramètres quantitatifs décrivant la réactivité des minéraux argileux gonflants des sols. Ces paramètres pourront être pris en compte dans les codes de transport prédisant la migration des cations dans les sols. / The swelling clay minerals are ubiquitous in all areas of the surface of the Earth, particularly in soils. The lamellar structure of these minerals and their small size are at the origin of their high reactivity in particular with respect to pollutants and nutrients that are present in soil pore water. In this context, our work aims to contribute to a better understanding of the interactions between swelling clay minerals and cations of nutritive (calcium) and/or environmental interest (cesium, strontium). In soils, swelling clay minerals have broad size distribution and can have a varied crystal chemistry. Therefore, to better understand the role of each of these parameters on the reactivity of the natural particles, we worked with "model systems", which are yet representative of the swelling clay particles encountered in soil environment. Different particle size fractions of vermiculite and different synthetic saponites characterised by well-controlled layer charge were used as "model systems". Results concerning ion-exchange isotherms for Cs and Sr, in competition with major cations of natural waters (Na, Ca), were obtained by combining chemical analyses and 00ℓ reflection modelling of X-ray diffractograms in order to assess the cation distribution between the different adsorption sites (interlayer vs external) located on swelling clay minerals. Such approach and the use of ‘model systems’ have allowed us to obtain quantitative parameters describing the reactivity of soil swelling clay mineral particles, and should be considered in reactive transport codes devoted to predict the migration of nutritive and polluted cations in soil environments.

Ce travail porte sur l'utilisation des déséquilibres radioactifs dans les échantillons de sols totaux, et des fractions minérales séparées. Les objectifs étaient d'évaluer : 1) l'impact d'un changement de végétation et de la granulométrie de la roche mère dans les sols sur les déséquilibres, 2) les phases minérales secondaires capables d'enregistrer des informations temporelles, et leur séparation chimique et 3) l’information temporelle portée par les minéraux primaires. Ce travail a mis en évidence sur le site de Breuil-Chenue que les couches les plus profondes du sol (< 40cm) ne montrent pas d’impact de la végétation ou de la granulométrie de la roche mère sur les déséquilibres radioactifs. Les faibles vitesses de production du sol (~1-2 mm/ka) obtenues reflètent la très faible érosion physique affectant ce site situé sur un plateau. La seconde partie de ce travail a permis d'identifier un protocole permettant d’extraire les oxydes de fer sans création de fractionnement chimique. Enfin, l'analyse de biotites d’un profil du même site a montré que les déséquilibres U/Th permettaient de déterminer de façon indépendante les vitesses d’altération in situ des minéraux dans les sols. / The aim of the present study was to evaluate weathering and soil formation rates using U-Th disequilibria in bulk soil or separated minerals. The specific objectives of this work were to evaluate the use of U-Th chronometric tools 1) regarding the impact of a land cover change and the bedrock characteristics 2) in selected secondary mineral phases and 3) in primary minerals. On the Breuil-Chenue (Morvan) site, no vegetation effect neither a grain size effect was observed on the U-Th series in the deepest soil layers (< 40cm). The low soil production rate (1-2 mm/ka) is therefore more affected by regional geomorphology than by the underlying bedrock texture. In the second part of this work, based on a thorough evaluation of different technics, a procedure was retained to extract Fe-oxides without chemical fractionation. Finally, the analysis of biotites hand-picked from one of the studied soil profile showed that U- series disequilibria allow to independently determinate the field-weathering-rate of minerals.

Les amibes à thèque, également appelés thécamoebiens, sont des micro-organismes unicellulaires, qui construisent une enveloppe rigide, appelée thèque (Adl et al., 2012). Ces thèques ont des tailles, formes et natures très variées (Ogden & Hedley, 1980). Les récentes études sur la composition des thèques ont conduit à émettre l’hypothèse que les amibes xénosomiques (constituées de particules exogènes), peuvent constituer des bio-indicateurs pertinents de la diversité particulaire de l’environnement minéral, organique et biologique dans lequel elles évoluent.L’objectif principal des recherches menées au cours de cette thèse vise donc à caractériser la composition des thèques d’amibes xénosomiques et à en évaluer leur utilisation potentielle en tant que bio-indicateurs des dépôts de particules d'origine atmosphérique. Pour cela, des thèques d’amibes ont été analysées in situ en conditions naturelles et après dépôts artificiels de particules minérales allochtones.Ces travaux permettent de dégager plusieurs conclusions majeures :(1) La taille des particules minérales intégrées dans la thèque xénosomique de Bullinularia indica est similaire à celle des particules minérales transportées dans l'atmosphère; (2) les particules minérales intégrées dans les thèques sont des silicates stables dans les conditions physico-chimiques régnant dans les tourbières, les bryophytes et les sols étudiés; (3) certains minéraux comme la phlogopite, même lorsqu’ils sont présents en de fortes concentrations, ne sont jamais intégrés par les amibes; (4) la combinaison des observations portant sur la taille, la forme et la nature des particules utilisées par des amibes xénosomiques permet de poser les bases de l'utilisation des amibes à thèques pour la bio-indication de la diversité particulaire atmosphérique récente ou ancienne. / Theca-like amoebae, also called thecaamoebius, are unicellular microorganisms, which construct a rigid envelope called theca (Adl et al., 2012). These themes have very varied sizes, shapes and natures (Ogden & Hedley, 1980). Recent studies on the composition of the themes have led to the hypothesis that xenosomal amoebae (constituted by exogenous particles) can constitute relevant bio-indicators of the particulate diversity of the mineral, organic and biological environment in which they evolve . The main objective of the research carried out during this thesis is therefore to characterize the composition of the xenosomal amoebae and to evaluate their potential use as bioindicators of deposits of atmospheric particles. For this purpose, amoeba theae were analyzed in situ under natural conditions and after artificial deposits of allochtonous mineral particles. Several major conclusions can be drawn from this work: (1) The size of the mineral particles integrated in the xenosomal theca of Bullinularia indica Is similar to that of mineral particles transported into the atmosphere; (2) the mineral particles integrated into the thecs are stable silicates under the physico-chemical conditions prevailing in the peatlands, bryophytes and soils studied; (3) some minerals such as phlogopite, even when present in high concentrations, are never integrated by amoebae; (4) the combination of observations on the size, shape and nature of the particles used by xenosomic amoebae forms the basis for the use of tea amoeba for bioindication of recent or former atmospheric particulate diversity .