La calotte polaire du Groenland retient dans ses glaces une contribution potentielle au niveau des mers de 7,3 mètres. Alors que des changements importants sont observés à l'heure actuelle, réaliser des projections sur son état futur à l'échelle pluri-centennal est devenu une priorité. La modélisation numérique 3D est l'un des outils pour effectuer ces projections. Ce travail incorpore largement l'utilisation des carottages profonds du Groenland, qui rassemblent une grande part d'information sur les états passés. Ainsi, l'accent est ici mis sur les validités des reconstructions effectuant constamment des aller-retour entre observations et simulations. La robustesse de ces reconstructions et des projections futures est largement questionnée au travers de nombreuses expériences de sensibilité. La calibration du modèle de glace en utilisant des contraintes sur les informations de la dernière déglaciation permet de proposer des scénarios sur l'état de la calotte au cours du précédent interglaciaire, l'Eémien, potentiel analogue pour le climat futur.

Les glissements de terrain sont à l'origine de la destruction de nombreuses infrastructures routières, de bâtiments et causent la perte de vies humaines. L'observation des glissements de terrain est limitée par l'absence d'archives historiques précises. Sur les glissements de terrain superficiels forestiers, la dendrogéomorphologie permet de reconstruire, avec une résolution temporelle saisonnière et une emprise spatiale décamétrique, l'activité du processus, à partir de l'analyse des perturbations anatomiques contenues dans les cernes de croissance. 13 glissements de terrain superficiels forestiers, localisés dans la vallée de l'Ubaye ont été étudiés. L'analyse dendrogéomorphologique permet de densifier les chroniques historiques, d'obtenir des périodes de retour et d'améliorer nos connaissances sur le comportement spatial du processus. L'approche statistique basée sur un modèle de Poisson, permet de quantifier et de cartographier des probabilités de réactivation. La thèse proposera d'évaluer la robustesse de la reconstruction dendrogéomorphologique ainsi que le rôle des précipitations dans le déclenchement des évènements passé.

Les travaux de recherche développés durant cette thèse relèvent de la biogéochimie et de la sédimentologie appliquée aux systèmes lacustres. Ils s'inscrivent dans une démarche de rétro-observation sur la période récente (150-300 ans) avec l'objectif global d'évaluer l'implication des forçages environnementaux locaux (charge externe en nutriments, hydrologie) dans l'accentuation/atténuation des forçages globaux (climat). Nos recherches se sont concentrées sur une réponse intégratrice du système lacustre : le développement de l'état de l'hypoxie (manque d'oxygène ; [O2] <2µg L-1) dans les lacs, qui reflète l'état du système lacustre à l'échelle de l'hypolimnion. La thèse participe à un programme pluridisciplinaire, IPERRETRO ANR VMCS 008, dont les résultats sont utilisés dans ce travail pour comparer les trajectoires de 3 réponses biologiques (diatomées, cladocères, chironomes) et de la réponse de l'hypoxie dans les lacs du Léman, du Bourget et d'Annecy. Les objectifs spécifiques de ce travail de doctorat sont 1) de développer une méthode de quantification du régime de l'hypoxie au travers d'une approche spatio-temporelle (multi-site de carottage), 2) de caractériser les forçages et, 3) de recourir aux outils de modélisation statistique afin de comprendre les relations entre les forçages (globaux et locaux) et les réponses de l'écosystème lacustre dans un contexte de réchauffement climatique. Le prélèvement inédit de 81 carottes sédimentaires s'est révélé essentiel pour quantifier 2 forçages clés de l'hypoxie dans les 3 lacs : 1) les flux biogéniques et 2) le régime des crues. Nos principaux résultats montrent que l'enrichissement en phosphore dissous a conduit à un changement d'état de l'hypolimnion dès le milieu du XXe siècle. Désormais hypoxique, les écosystèmes de l'hypolimnion semblent particulièrement vulnérables face à l'augmentation croissante des températures. En revanche, l'action des crues (à l'échelle pluriannuelle, pluri-décennale et centennale) présente des effets bénéfiques sur les conditions de l'hypolimnion en favorisant périodiquement la recharge en oxygène, malgré l'état de stabilité global de l'hypoxie. D'autre part, les résultats montrent que le contexte hydrique local (~dimension des affluents) conditionne la vulnérabilité spécifique des lacs face aux changements globaux. Nous montrons qu'un lac comme Annecy (petit affluent) est plus vulnérable aux augmentations de température qu'un lac comme le Léman (gros affluent). Finalement, les trajectoires des réponses lacustres (flux biogéniques, diversité biologique et régime de l'hypoxie) indiquent que les réponses sont généralement plus immédiates dans l'hypolimnion face aux changements globaux et locaux que dans l'épilimnion. Cette différence de sensibilité des réponses, entre les " sous-systèmes ", précise l'ampleur des défis pour la modélisation et la gestion intégrée des systèmes lacustres.

Un Laboratoire de Recherche Souterrain (URL) a été construit en 2000 par l'Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs (Andra) dans le but d'étudier la faisabilité d'un site de stockage de déchets radioactifs dans une formation d'argile à Bure dans la Meuse. L'horizon choisi pour le laboratoire est une couche de 135 m d'épaisseur de roches argileuses du Callovo-Oxfordien (COX) qui s'étend de 420 à 555 m sous le Laboratoire du site de Bure. La couche d'argilites est entourée de bancs calcaires de l'Oxfordien et du Dogger (respectivement, 161,2 à 164,7 Ma et 164,7 à 175,6 Ma). De nombreux stylolites ont été trouvés dans ces horizons calcaires. Le but de ce travail était d'étudier la rhéologie des horizons contenant ces stylolites et d'utiliser ces structures comme marqueurs de contraintes dans la zone proche de l'URL. Pour ce travail, un grand nombre d'échantillons avec et sans stylolites ont été prélevés dans de nombreuses carottes provenant de plusieurs forages dans les formations de l'Oxfordien et du Dogger. Les mesures pétrophysiques et les études de microstructure mises en œuvre sur ces calcaires révèlent la structure microporeuse de toutes ces roches, de porosités comprises entre 4 et 18 %. La présence des stylolites s'accompagne d'une augmentation localisée de la porosité et de variations sensibles de certaines propriétés physiques ainsi que de la résistance mécanique des calcaires. Un modèle reliant une longueur caractéristique associée à la morphologie d'un stylolite et la contrainte associée au développement de cette structure est présenté. Pour utiliser ce modèle, nous avons développé une méthode pour analyser la morphologie de stylolites à partir du calcul du spectre de puissance de Fourier en prenant en compte toutes les difficultés liées à la géométrie de carottes provenant de forages. Cette méthode est appliquée pour des stylolites échantillonnés à des profondeurs différentes, de 158 m à 800 m dans les formations calcaires de l'Oxfordien et du Dogger. Nous avons analysé des profils 1D extraits des contours des carottes. En accord avec les prédictions théoriques, nous avons observé sur les spectres résultants des analyses, deux régimes différents pour les petites et grandes échelles séparés par une longueur de coupure. Nous avons ensuite déterminé les paléocontraintes associées aux longueurs de coupures trouvées et aux modules élastiques des roches. En considérant l'évolution géologique des formations du site de Bure, nous discutons pour finir les variations avec la profondeur des paléocontraintes estimées pour les stylolites des formations de l'Oxfordien et du Dogger.

Le tassement des sols est l'un des principaux processus de dégradation des sols en Europe. Il est principalement dû à la mécanisation des activités agricoles et forestières qui se traduit par des passages d'engins de plus en plus lourds, très souvent en conditions climatiques défavorables. La directive cadre pour la protection des sols en préparation envisage de demander aux Etats membres de l'Union Européenne de recenser les zones les plus sensibles au tassement en vue d'appliquer des mesures de prévention ou de réhabilitation. Le but de notre étude est de développer une méthode d'estimation des risques de tassement des sols et de l'appliquer à l'échelle de la France métropolitaine. La sensibilité des sols au tassement dépend du type de sol et augmente avec la teneur en eau. L'intensité du tassement dépend de la charge appliquée à la surface du sol. L'estimation des risques de tassement repose sur la fréquence d'occurrence d'une teneur en eau critique qui engendre une intensité de tassement pénalisant le fonctionnement des sols et des cultures. Elle fait appel à deux modèles : le modèle de culture STICS pour le calcul de l'évolution journalière de la teneur en eau des sols, le modèle de déformation COMPSOIL pour le calcul des teneurs en eau critiques en fonction des engins utilisés. Ces deux modèles sont appliqués sur la Base de Données Géographique des Sols de France au 1/1 000 000ème. Une amélioration du paramétrage du module hydrique de STICS adapté à cette base de données est proposée. Les risques de tassement des sols sont estimés pour trois périodes d'intervention au cours d'une culture de blé d'hiver ou de maïs : le semis, la fertilisation azotée et la récolte, en fonction de scénarios climatiques actuels et futurs. Plusieurs critères de définition d'un sol tassé et d'un risque de tassement ont été utilisés. La cartographie des risques de tassement (1) s'avère très sensible au choix de ces critères, (2) résulte de la combinaison des trois facteurs : type de sol, climat et système de culture, sans facteur prédominant. La méthodologie proposée, basée sur l'utilisation de modèles de fonctionnement hydromécanique, est bien adaptée à l'estimation des risques de tassement des horizons de surface des sols cultivés. Une caractérisation plus précise des propriétés mécaniques des sols français est à envisager pour réduire les incertitudes sur la cartographie des risques.

L'utilisation d'un grand nombre de capteurs sismiques est de plus en plus courant pour imager l'intérieur de notre planète depuis sa surface pour la prospection sismique, jusqu'à sa structure profonde avec la sismologie continentale et globale. L'application d'un traitement d'antenne aux enregistrements issus de réseaux de capteurs permet l'extraction de nouvelles observables et une meilleure compréhension de la propagation des ondes dans les milieux complexes. Parmi ces méthodes, on s'intéresse particulièrement aux traitements simultanés en émission-réception de type double formation de voies (DFV). A l'échelle de la prospection sismique, la DFV est utilisée pour extraire des ondes de volume pouvant être masquées par des ondes de surface plus énergétiques. A l'échelle continentale, les réseaux de sources étant plus rares, on propose d'appliquer la méthode DFV à des signaux reconstruits par corrélation du bruit sismique ambiant. De la même manière que pour un couple de stations, la corrélation d'enregistrements continus permet d'évaluer la fonction de Green entre deux antennes réceptrices. Cette méthode est appliquée à des données du réseau Transportable Array (USArray) afin de mesurer et cartographier la vitesse de phase des ondes de surface au centre des USA. Enfin à l'échelle globale, une combinaison de plusieurs grands réseaux sismologiques est utilisée pour démontrer que la corrélation d'enregistrements continus, dans la gamme de périodes, 5-100s permet la reconstruction des ondes de volume à des distances télésismiques. Une analyse de la contribution respective du bruit ambiant, d'origine océanique, et des séismes est réalisée. On montre que les arrivées tardives des forts séismes, réverbérées à l'intérieur du globe, contribuent de manière importante à la reconstruction des phases profondes. Les ondes de volume reconstruites à partir du bruit ambiant constituent une nouvelle source d'information, complémentaire aux données issues des séismes, et pouvant être utilisée pour imager notre planète.

Les données de VSP multi-source/multi-offset acquises en 2007 sur le site géothermique de Soultz-sous-Forêts sont traitées et analysées. Des géophones placés dans les puits GPK3 et GPK4 entre 3 et 5 km de profondeur ont enregistré les ondes sismiques émises par deux vibrateurs placés en 24 positions de tir réparties dans un rayon de 5 km autour des puits. Après corrélation des enregistrements avec la source associée à chaque vibrateur, les différentes composantes du champ d'onde sont séparées par filtrage en vitesse apparente. La comparaison des résultats obtenus par filtrage médian ou dans le domaine FK montre des signaux similaires. Un modèle de vitesse est établi pour pouvoir calculer les temps d'arrivée. Il comporte deux couches sédimentaires sur le socle granitique et des interfaces planes pentées. Le champ d'onde descendant de forte vitesse apparente est interprété comme des réflexions sur des structures subverticales autour des puits. Leur pendage, azimut et extension latérale sont déterminés en ajustant les temps de trajet observés et calculés par tracé de rayons 3D. Les structures à pendage vers l'ouest connues par les observations en forage et la microsismicité sont retrouvées. Une structure antithétique nouvelle est déterminée. Nos résultats permettent de compléter le modèle structural de la fracturation dans le réservoir géothermique.

Les compositions isotopiques en Nd, Hf, Pb et Sr des sédiments de rivière sont souvent considérées comme étant représentatives de celles de leurs roches sources. Elles sont donc largement utilisées pour tracer la provenance des sédiments ou pour moyenner les compositions isotopiques des lithologies drainées. L'influence des processus sédimentaires sur les compositions isotopiques de ces sédiments est cependant mal connue. L'objectif de l'étude présentée ici est de caractériser l'ampleur de la variabilité isotopique pouvant être générée par les processus de tri minéralogique au cours du transport des sédiments dans le milieu fluviatile. Pour ce faire, nous avons analysé les concentrations en éléments traces et les compositions isotopiques en Nd, Hf, Pb et Sr dans différents types de sédiments de rivière (bedload, suspended load, bank) échantillonnés à plusieurs endroits dans le système fluviatile du Ganges qui draine une partie de l'orogène Himalayenne. Nous avons également mesuré les compositions chimiques et isotopiques de nombreuses fractions minérales et granulométriques séparées de ces sédiments afin de mieux comprendre l'influence de chaque espèce minérale dans le budget isotopique total d'un sédiment de rivière. Dans le cas où les lithologies drainées sont essentiellement cristallines et sédimentaires, nous montrons que les isotopes du Nd dans les sédiments de rivière sont très peu affectés par les processus de tri minéralogique puisqu'ils sont toujours contrôlés par les mêmes minéraux, à savoir la monazite et l'allanite. Au contraire, les systèmes isotopiques de l'Hf, du Pb et du Sr s'avèrent particulièrement touchés par les processus de tri minéralogique. Les isotopes de l'Hf et du Pb sont tous deux affectés par un effet zircon qui génère de larges variations isotopiques entre les sédiments de fond de rivières et ceux transportés en suspension. Pour le Sr, les variations observées entre les différents types de sédiments résultent des proportions variables de micas et feldspath-K qu'ils contiennent. Dans le cas où les principales lithologies drainées présentent de forts contrastes d'érodabilité i.e. basaltes versus roches cristallines, nous montrons que les effets combinés de l'érosion différentielle dans le bassin de drainage et du tri sédimentaire dans la colonne d'eau sont responsables d'importantes variations isotopiques en Nd, Hf et Pb entre les sédiments de fond de rivière et ceux transportés en suspension. Nos calculs suggèrent que les produits d'érosion basaltique, relativement fins, sont préférentiellement transportés en suspension, proche de la surface de l'eau, alors que les produits d'érosion des roches plus cristallines sont préférentiellement concentrés dans les sédiments de fond de rivière. Enfin, nous suggérons que les variations isotopiques observées entre les différents types de sédiments transportés par les rivières sur les continents pourraient avoir d'importantes implications pour les systématiques isotopiques des sédiments océaniques terrigènes et sur l'évolution à long terme du réservoir mantellique si ces derniers sont recyclés au niveau des zones de subduction.

Le télescope spatial James Webb (JWST) est le successeur du télescope spatial Hubble (HST). Il est développé en collaboration par les agences spatiales NASA, ESA et CSA. Le spectrographe proche infrarouge NIRSpec est un instrument du JWST. Le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) a développé le logiciel de simulation des performances (IPS) de NIRSpec en vue de l'étude de ses performances et de la préparation de poses synthétiques réalistes. Dans cette thèse, nous vérifions certains algorithmes de l'IPS, en particulier ceux traitant des transformations de coordonnées et de la propagation en optique de Fourier. Nous présentons ensuite une interface simplifiée pour la préparation de " scènes " d'observation et un logiciel de traitement de données permettant d'extraire des spectres à partir de poses synthétiques afin de faciliter l'exploitation des simulations. Nous décrivons comment nous avons construit et validé le modèle de l'instrument par comparaison avec les données de calibration. Pour les transformations de coordonnées, le modèle final est capable de reproduire les mesures avec une précision 3 à 5 fois meilleure que celle requise pour la calibration spectrale. Pour la transmission globale notre précision est de 0-10% dans l'absolu et meilleure que 5% en relatif. Finalement, nous présentons la première simulation d'une observation de type " champ profond spectrographique " et nous explorons comment NIRSpec pourra être utilisé pour observer le transit de planètes extra-solaires. Nous déterminons en particulier la luminosité maximale des étoiles hôtes pouvant être observées et quels peuvent être les rapports signal sur bruit attendus.

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important à la surface de la Terre. Ils influencent les propriétés radiatives de l'atmosphère et représentent des composés importants pour les questions de qualité de l'air et de santé publique dans les régions polluées. Suite à la forte diminution de la pollution soufrée survenue au cours des trois dernières décennies, l'aérosol organique représente maintenant une part importante de l'aérosol atmosphérique. Cette fraction a une nature complexe et jusqu'à présent, moins de la moitié de ses constituants chimiques ont été identifiés. La fraction soluble des HUmic LIke Substances (HULISWS) représente une des familles importantes de l'aérosol organique soluble avec une contribution en masse comprise entre 20 et 50%. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de mesure des HULISWS dans la glace. L'étude de ces archives environnementales, ici une carotte de glace extraite au col du Dôme (4250 m, massif du Mont-Blanc, France), permet de remonter aux concentrations en HULISWS en Europe au cours de la période 1920-1988. L'étude des concentrations et de l'absorbance spécifique des HULISWS dans la carotte de glace a permis d'identifier deux sources distinctes suivant la saison et de suivre leur évolution au cours du XXème siècle. Les HULISWS sont issus de la combustion du bois en hiver, leur absorbance est forte et leurs concentrations sont faibles et stables tout au long du XXème siècle. En été, les HULISWS sont formés par des processus secondaires ayant pour précurseurs des espèces biogéniques organiques, leur absorbance spécifique est plus faible qu'en hiver et leurs concentrations plus fortes. Les teneurs estivales en HULISWS montrent une stabilité entre 1920 et 1950 puis une tendance à l'augmentation entre 1951 et 1970 associée vraisemblablement à une augmentation des émissions de composés organiques volatils depuis la biosphère.