L’objectif de cette thèse est d’arriver à mieux contraindre les paramètres qui contrôlent les processus d’altération à l’échelle d’un petit bassin versant, en se focalisant plus précisément sur le rôle de l’hydrologie. Pour ce faire, les variations temporelles et spatiales des signatures chimiques et isotopiques (U, Sr) des eaux du bassin versant du Ringelbach (Vosges, France) sont étudiées. Plusieurs sources de ce bassin versant, essentiellement composé d’un granite plus ou moins fracturé, ont été échantillonnées mensuellement sur une période de deux ans, le long d’un profil altitudinal. Ce bassin versant présente également l’avantage d’être équipé de trois forages profonds (allant jusqu’à 150 mètres de profondeur) qui ont permis de prélever à la fois les roches et les eaux profondes. Sur la base de l’interprétation géochimique des eaux, la connectivité des différents compartiments hydrologiques a été évaluée et un schéma de fonctionnement hydrogéochimique est proposé s’appuyant sur une bonne connaissance du contexte géologique. Enfin, un taux d’altération et un flux d’eau sont estimés à partir d’une modélisation de l’évolution du rapport isotopique de l’uranium (234U/238U) le long d’un trajet d’eau. L’originalité de cette étude est également de coupler cette approche de traçage géochimique avec une approche modélisatrice en utilisant le logiciel KIRMAT (Kinetic Reactions and Mass transport) qui intègre les équations des réactions géochimiques (dissolution/précipitation) et les équations de transport (1D). Il est ainsi possible de simuler le transport réactif d’une eau traversant la roche le long d’un certain trajet d’eau. Cette modélisation s’appuie sur la caractérisation minéralogique, des propriétés physiques des échantillons de roches prélevés le long des forages et sur les interprétations géochimiques des eaux. Ainsi, la modélisation de la composition chimique des eaux de sources et des eaux de forages a permis d’affiner la compréhension des processus d’altération, notamment le rôle des phases secondaires précipitées. Celle-ci permet également une meilleure compréhension des phénomènes de couplage entre les différents paramètres qui contrôlent la signature chimique des eaux à l’échelle du bassin versant. / The main goal of the present thesis is to better constrain the parameters that control weathering processes at a small catchment scale, focusing specifically on the role of hydrology. For this purpose, temporal and spatial variations of the chemical and isotopic (U, Sr) water composition of the Ringelbach catchment are studied. Several springs of this catchment whose basement is mainly composed of granite more or less fractured located along an altitudinal profile were monthly sampled over a period of two years. The additional interest of this site is that three deep boreholes (up to 150 meters deep) allow the sampling of both deep rocks and waters. The connectivity of the different hydrological compartments is evaluated based on the geochemical interpretation of water samples. A schematic hydrological functioning is proposed based on a good knowledge of the geological context. Finally, a weathering rate and a water flux are estimated from the modeling of the uranium activity ratio along a water path. The originality of this study lays also in combination of a geochemical and modeling approaches using the software KIRMAT (Kinetic Reactions and Mass transport) that integrates geochemical reactions (dissolution/precipitation) and 1D mass transport equations. It allow to simulate the reactive transport of a fluid through a rock along a given water pathway. This modeling is based on the characterization of the mineralogical and physical properties of the rock, sampled along the boreholes and the geochemical interpretation of the waters. Thus, the modeling of the chemical composition of the spring waters and borehole waters permit to improve the understanding of weathering processes including the role of precipitated secondary phases. It also allows to better understand the interplay of parameters that that control the water chemical signature at the catchment scale.

Jusqu’à peu, Mars était vue comme une planète à substrat crustal homogène, dominé par des basaltes à olivine. Les missions in situ ont contribué à bouleverser cette vision si simpliste. Le rover Curiosity qui sillonne le cratère d’impact de Gale formé à l’Hespérien (3.5-3.8 Ga) creusé dans des roches noachiennes (> 3.8 Ga), a ainsi découvert, grâce aux analyses LIBS (‘laser induced breakdown spectroscopy’) de l’instrument ChemCam, des roches ignées alcalines felsiques noachiennes, révélant un magmatisme primitif évolué (Sautter et al., 2016) : ce résultat est en accord avec l’identification récente de clastes ignés felsiques d’âge Noachien observés dans la brèche martienne NWA 7533 et ses paires. Une croûte primitive martienne évoluée de type ‘continentale’ aurait-elle existé ? C’est ce que suggère ce travail de par l’observation orbitale GRS de plusieurs terrains noachiens felsiques enrichis en K et Th et abondants en feldspaths. Par ailleurs, du fait de l’identification de feldspaths peu calciques dans les roches et clastes de Gale et de la brèche, il est envisagé ici que la croûte primitive martienne ait pu se former selon un modèle différent de l’océan de magma défini sur la Lune. De plus, la quantification de Li, Rb, Sr et Ba dans l’ensemble des matériaux ignés de Gale analysés par la LIBS ainsi que leurs concentrations dans les clastes ignés de la brèche, suggèrent l’existence de plusieurs réservoirs magmatiques primitifs. En parallèle, la quantification du Cu à partir des données LIBS effectuée dans cette étude, met en évidence des abondances anormalement élevées dans des roches potassiques de la région de Kimberley. Majoritairement associées à des silicates détritiques ignés, ces phases de cuivre proviendraient d’une source magmatique primitive siliceuse localisée dans le flanc Nord de Gale. Au Noachien, la circulation hydrothermale dans un magma évolué aurait formé un gisement métallifère de cuivre aux alentours du cratère. Finalement, la Terre et Mars sont géologiquement plus proches que jamais / Until recently, Mars was considered as a planet with a homogeneous crust dominated by olivine-rich basalts. This simplistic vision has been largely disrupted especially with results of recent in situ missions. In this way, the Curiosity rover that travels in Gale crater, which formed by impact during the Hesperian period (3.5-3.8 Gyr) within igneous basement rocks dated at 4.2 Gyr, discovered Noachian alkaline igneous rocks (> 3.8 Gyr) using the ChemCam LIBS instrument (‘laser induced breakdown spectroscopy’): this observation along with the recent identification of Noachian igneous felsic clasts within the breccia meteorite NWA 7533 and subsequent paired stones, revealed an evolved primitive magmatic system (Sautter et al., 2016). Would an evolved ‘continental’ primitive crust have ever existed on Mars? This is favored in this work by orbital GRS observations showing several Si-K-Th-rich Noachian terrains displaying abundant feldspars. Besides, the identification of low-Ca feldspars within the clasts of the breccia and Gale rocks, suggests that the primitive martian crust may have formed according to a model that differs from the lunar magma ocean. In addition, the LIBS quantification of Li, Rb, Sr and Ba presented in this work in igneous rocks, along with the distribution of alkali trace elements within the igneous clasts of the breccia, suggests the potential occurrence of several magmatic reservoirs. Concurrently, in the Kimberley formation, copper quantification using LIBS data, reveals anomalously elevated abundances within potassic rocks: these Cu-phases mainly associated with detrital igneous silicates, would come from a primitive felsic igneous source located in the northern rim. During the Noachian period, the hydrothermal circulation within an evolved magmatic chamber favored the formation of a Cu-bearing deposit in Gale vicinity. After all, the Earth and Mars are geologically closer than ever