Dans les zones arides, la grande variabilité des eaux de surface a conduit les Hommes à exploiter les eaux souterraines. Cependant, afin de préserver durablement cette ressource, une bonne connaissance des processus de recharge est nécessaire. Ces travaux de thèse ont pour objectifs de caractériser les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains en zone de piedmont aride et hyper-aride. Dans le Nord du Chili, l’activité minière et les villes nouvelles associées aux déplacements de populations depuis quelques dizaine d’années ont engendré une surexploitation des ressources en eaux souterraines contenues dans l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal. Cet aquifère régional est l’une des principales ressources en eau de l’ensemble du Nord du Chili, ce qui en fait une ressource stratégique. Le contexte hyper-aride de cette zone de piedmont (extension nord du Désert d’Atacama) semble suggérer que la recharge actuelle de l’aquifère ne permet pas de soutenir son bilan hydrologique.Afin d’identifier et de caractériser les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains de l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal, une approche multidisciplinaire a été utilisée. Cette approche est basée dans un premier temps sur la caractérisation géologique et géomorphologique de la Dépression Centrale et notamment du Piedmont Andin entre 19,5°S et 20°S. Celle-ci a permis d’identifier le rôle du substratum pré-Oligocène sur l’organisation de la couverture fin-Cénozoïque (i.e. axes de drainages, barrières sédimentaires & paléovallées) et sur les circulations souterraines au niveau du piedmont. Dans un second temps, une approche hydrogéophysique et hydro(géo)logique a été utilisée afin de caractériser et d’identifier les conditions aux limites ainsi que l’évolution spatiale de la piézométrie au sein de la plaine de la Pampa del Tamarugal et du piedmont. De nombreux sondages de résistivité, réalisé par TDEM, ont permis d’identifier un contraste bien défini et corrélé avec le niveau piézométrique de la nappe libre. Des relevés hydro(geo)logiques ont permis de valider les échanges rivière-nappe (zones de recharge) qui ont été déduits à partir de l’étude géophysique. Dans un troisième temps, la caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines de la zone d’étude a permis d’identifier les origines, les circulations ainsi que les processus de recharge de l’aquifère. La distribution des âges de l’eau de la zone saturée a permis d’identifier les grandes phases de recharge paléoclimatiques de l’Holocène. Dans un quatrième temps, une approche exploratoire par la modélisation des écoulements au sein de la zone non saturée, basée sur un modèle à base physique (Hydrus-1D) et complétée par des relevés de terrain, ont permis d’évaluer la recharge induite par une crue au niveau des cônes alluviaux. L’analyse des chroniques piézométriques a apporté de nombreuses informations sur la quantification de la recharge.Sur la base des résultats de cette étude multidisciplinaire, ces travaux de recherche ont permis de définir, au niveau de l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal (Nord Chili), les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains en zone de piedmont aride et hyper-aride. / In drylands, the scarcity of surface waters has led the population to mainly extract the groundwater resource for water supply. To preserve the groundwater resource of the over-exploitation, the understanding of the groundwater recharge processes is required. The present work aims to assess the factors of control on both the groundwater recharge and the groundwater circulation in dryland piedmonts.In Northern Chile, since a few tens of years, mining activities and the associated population movements have induced an over-exploitation of the Pampa del Tamarugal Aquifer. This regional size aquifer is one of the main groundwater resources of Northern Chile as a whole.In order to assess the controls on the groundwater recharge processes that allow recharging the Pampa del Tamarugal Aquifer as well as the groundwater circulation in the Andean Piedmont, a multidisciplinary approach was carried out in the endorheic catchment of the Pampa del Tamarugal (i.e. lowlands and piedmont) between 19.5°S and 20°S. Firstly, the study is based on a geological and geomorphological assessment of the Central Depression sedimentary basin with a focus on the Andean Piedmont. This work allowed identifying the control of the pre-Oligocene bedrock on both the late-Cenozoic piedmont cover (i.e. alluvial drainage axis, sedimentary barriers, and paleovalleys) and the groundwater circulation. Secondly, a hydrogeophysical (resistivity soundings, via TDEM) and hydrogeological characterization of the vadose zone and the saturated zone of the aquifer was carried out. These measurements allowed identifying a well-defined contrast of resistivity that is correlated with the water-table. This allows to better define the boundary conditions of the aquifer and to shift eastwards (i.e. in the piedmont) the oriental limit of the aquifer. Hydrological surveys allowed to validate the identification of groundwater recharge areas where the rivers fed the aquifer. Thirdly, the study is based on the assessment of the geochemical, isotopic and dissolved gas content of the groundwater. This approach allowed identifying the origin and also the groundwater circulation of the aquifer. The characterization of the groundwater distribution ages allowed to identify the main stages of recharge during Holocene and late-Pleistocene times. Fourthly, an exploratory approach was carried out in order to address the recharge fluxes in the vadose zone. Based on Hydrus-1D model and soil sampling carried out in the field, the recharge fluxes induced by one flood in the alluvial fans were estimated. The behavior analysis of water-table on time series of a few years were also used to estimate the recharge in the lower part of alluvial fans according to the surface geomorphology features.Based on this multidisciplinary approach, these works (performed in Northern Chile) allow defining the controls on the groundwater recharge and circulation in arid and hyperarid piedmont areas.

L'évolution géodynamique oligo-néogène de l' Altiplano au niveau du "Coude d'Arica", est caractérisée par déformation compressive et volcanisme importants. Dans la partie orientale de la chaîne (Bolivie), le raccourcissement est bien documentée (190-280 km), et il explique une croûte très épaisse (65 km). Dans la partie occidentale (Nord du Chili), cependant, l'histoire géologique n'est pas bien connue et est en partie controversée. L'étude de la région d'Arica, sur trois transects régionaux (au 1:50.000), permet de proposer un model représentatif d'évolution géodynamique pour l'Altiplano occidental. L'Oligocène (-35-26 Ma) est caractérisé par une sédimentation fluviatile, enregistrée dans la partie la plus profonde de la Dépression Centrale. Les dépôts, atteignant 500m d'épaisseur, recouvrent en discordance angulaire une surface d'érosion régionale peu accidentée. Ils sont poligéniques et proviennent de l'Est, de l'érosion d'une proto-Cordillère Occidentale. Ils sont affectés par des chevauchements subverticaux à vergence Ouest. L'Oligocène terminal-Miocène précoce (26-19 Ma) est une période intensive de volcanisme effusif et explosif. A l'Est (Cordillère Occidentale), l'arc volcanique est représenté par au maximum de 2.500 m d'andésites, dacites et ignimbrites rhyolitiques, intercalées de niveaux alluviales et lacustres. Cet arc, très actif, a été associé à la formation des caldeiras d'effondrement. A l'Ouest (Précordillère et Dépression Centrale), les dépôts d'avant-arc sont représentés par jusqu'à 1.000 m d'ignimbrites rhyolitiques (extra-caldeira), avec intercalations fluviatiles et lacustres. Dans la Cordillère de la Côte, une sédimentation alluviale oligo-miocène est enregistrée dans des bassins restreints (<200 fi d'épaisseur). Au cours de ce cycle, on ne note pas d'indices d'une activité tectonique importante, sauf un plissement faible dans la Cordillère Occidentale. Le Néogène (,...,18-0Ma) est caractérisé par un volcanisme andésito-dacitique, principalement effusif, développé dans la Cordillère Occidental avec un volume modeste par rapport à la période antèrieur. Ce volcanisme est accompagné d'une tectonique compressive importante associé à sédimentation fluviatile syntectonique relativement restreinte. La déformation est représentée par un système de plis et de chevauchements à vergence Ouest impliquant le socle, dont le raccourcissement minimum est estimé à 7 km. Cette déformation s'est développée surtout dans la partie ouest de la Cordillère Occidentale, entre 18 et 5 Ma avec des réactivations mineures pendant le Plio-Quaternaire. Ceci implique une vitesse de racourcissement horizontal, pendant le Néogene, de l'ordre de O,54km/Ma. Au niveau de la Dépression Centrale, pendant le Miocène, une sédimentation fluviatile et lacustre est représentée par au maximum de 350 m de dépôts volcanogéniques provenant de l'Est. Vers 12 Ma, la sédimentation fluviatile s'est arrêté et une surface de pédimentation régionale s'est mis en place. Postérieurement l'avant-arc a été affectée par une forte incision (atteignant 1.000 m) concentrée sur un petit nombre de vallées. L'événement coincide avec un important changement climatique qui a induit la désertification d'Atacama, accompagné d'une baisse eustatique (au maximum de 200 m). Pendant le Miocène supérieur-Quaternaire, cependant, la forte incision n'est pas expliquée seulement par effects exogènes. Un soulèvement majeur (-800 m) de l'avant-arc s'est donc produit. Le soulèvement et l'abrasion marine ont généré un abrupt côtier, tandis que dans les vallées incisées se sont déclenché d'importants glissements de terrain. La déformation contemporaine de l'avant-arc est localisée au niveau de failles et de plis flexures larges, associés à la propagation aveugle de chevauchements subverticaux avec des déplacements verticaux importants (jusqu'à 850 m) et des raccourcissements négligeables (jusqu'à 100 m). Le soulèvement de la Précordillère s'est produit entre 12 et 10 Ma, et il a été suivi d'un mega-glissement gravitaire. Les roches volcaniques oligo-néogènes d'Arica sont calco-alcalines fortement potassique, et leur composition varie peu au cours du temps. Cependant, on note un enrichissement croissant en éléments lithophiles, une participation de plus en plus importante du grenat comme phase résiduelle dans la croute inférieure, et une diminution relative du taux de fusion partiel dans la source mantélique. Par ailleurs, l'évolution structurale et le bilan érosion-sédimentation montrent que la Cordillère Occidentale d'Arica a été soulévée et soumise à l'érosion depuis l'Eocène. Au cours de la période considérée (Olîgo-Néogène), l'épaississement crustal de l'AltipIano occidental a donc été relativement lent par rapport à l'Altiplano oriental et non seulement liée à des processus tectoniques.