L'objectif de la thèse est de créer une collection de roches et minéraux analogues pour calibrer et tester les futurs (et existants) instruments de vol, en accord avec la géologie de Mars afin de préparer les futures missions in situ (MSL-2011 et ExoMars-2018). Les échantillons sont caractérisés avec des instruments de laboratoire (microscope, Raman, IR, DRX, MEB, microsonde électronique, et ICP-MS), mais aussi avec des instruments de vol en développement (Mössbauer MIMOS II, les spectromètres ExoMars Raman et IR (MicroOmega)). L'ensemble des échantillons sont décrits sur une base de données en ligne à l'adresse : www.isar.cnrs-orleans.fr. Une partie de cette thèse est dédiée au développement d'un instrument de cathodoluminescence, qui peut être adapté au spatial. L'étude des processus d'altération des basaltes sur Terre montrant des similarités avec les processus de surface et de subsurface présent sur Mars, permet d'aider à mieux comprendre et interpréter les objets sur Mars. Pour cela, et pour compléter la collection, des basaltes altérés dans des conditions hydrothermales et acides ont été collecté dans la mine de Skouriotissa à Chypre. L'évolution minéralogique des basaltes à travers les différents facies d'altération a été étudiée. Parce que les basaltes terrestres sont plus pauvres en Fe et Mg que les basaltes martiens, deux basaltes artificiels ont été synthétisé. Ces deux échantillons sont différents en terme de refroidissement (~110°C/h et trempé). On note que le basalte refroidi lentement montre des textures spinifex similaires aux komatiites. Si ce type de basalte est présent sur Mars, et altéré en présence d'eau, ceci peut avoir d'importantes implications exobiologiques.

Les cycles du carbone et des nutriments des lacs sont en partie contrôlés par la sédimentation, les apports de matières terrestres, les réseaux trophiques et les interactions entre ces compartiments et processus. Les sédiments et les matières terrestres sont des sources de matière organique et de nutriments pour les écosystèmes aquatiques qui peuvent avoir un effet ascendant sur les communautés pélagiques. Les prédateurs de sommets de chaînes exercent quant à eux un contrôle descendant sur le cycle des nutriments aquatiques et sur le processus de sédimentation, via la modification des transferts de matière au sein des réseaux trophiques. Cette étude a permis de montrer que la structure du réseau trophique, en modifiant le contrôle des producteurs primaires par leurs consommateurs, influe sur les compositions élémentaire et biochimique (acides carboxyliques polyinsaturés, stérols, dérivés de la chlorophylle, protéines et sucres) de la matière organique qui sédimente et sur sa biodégradabilité. Cette modification de biodégradabilité influence en retour les biomasses du seston, du zooplancton, ou des poissons. Les matières organiques d'origines différentes (autochtone et allochtone) étudiées ont des effets contrastés sur les compositions élémentaires du seston, du zooplancton et des sédiments récemment déposés, mais très peu d'impact sur la composition des biomarqueurs lipidiques de ces compartiments. Les effets ascendants sur la structure des réseaux trophiques pélagiques des apports de matière organique sous forme de sédiment ou de terre se sont avérés assez mineurs comparés à ceux induits par la modification de la structure des réseaux trophiques aquatiques.

Afin d'estimer les potentialités des sédiments lacustres à enregistrer la sismicité dans le temps et l'espace, différentes archives sont étudiées : remplissages endokarstiques, dépôts lacustres anciens exondés et récents en fond de lacs actuels. Ces recherches sont entreprises dans les cadres sismotectoniques des Alpes et du Tien-Shan. Différents types de perturbations synsédimentaires attribuables à des séismes, selon le type de sédiment et d'environnement de sédimentation, peuvent ainsi être distingués et corrélés, dans certains cas, à des séismes historiques. La Grotte " Sous les Sangle " (Ain, France) montre que I'endokarst peut être favorable à ce type d'étude, pour le Pléistocène notamment. Plusieurs petits lacs alpins d'altitude à proximité de l'épicentre du séisme historique (1905) d'Emosson (Alpes, Suisse) sont étudiés. lis montrent deux types de sédimentation, dont un semble favorable à l'enregistrement des phénomènes sismiques, mais aussi climatiques, majeurs. Dans le lac d'Anterne, sur deux siècles de sédimentation échantillonnée, les quatre plus gros séismes régionaux sont enregistrés sous forme de dépôts caractéristiques. Une corrélation entre l'épaisseur de ces dépôts, la magnitude macrosismique et la distance à l'épicentre est proposée, permettant d'entrevoir une méthode de localisation et d'estimation des paléo séismes antéhistoriques. Le bassin tectonique lacustre d'Issyk-Koul (Kirghizstan), étudié à l'affleurement, par sismique réflexions et carottages, présente des indices sédimentaires de paléo sismicité, à terre (séismites) et en fond de lac sous forme de dépôts de type homogénite L'un d'eux est reconstitué par un modèle numérique d'écoulement d'avalanche. Il apparait cependant que les plus forts séismes historiques régionaux ne sont pas tous enregistrés. Les relations entre sismicité et sédimentation lacustre sont ainsi précisées, permettant de définir les conditions propices aux études de paléo sismicité par les archives lacustres.

Dans l'estuaire à fortes marées de la Seine où les vases s'étendent de plus en plus vers l'aval, l'identification et la quantification des sources de particules ont été entreprises sur trois cents échantillons superficiels par l'utilisation de marqueurs particulaires. Une "carte d'identité chimique et minéralogique" complète des sédiments fins de l'ensemble du continuum Seine-baie de Seine apporte de nouvelles informations sur : la dilution des apports fluviatiles en baie de Seine, la pénétration de particules fines marines dans l'estuaire et les petits cours d'eau côtiers, et l'apport local et ponctuel par érosion de matériel fossile.<br />La résolution du mélange particulaire (ACP, équations de mélange) montre qu'à long terme (plusieurs décennies), la sédimentation fine actuelle correspond au mélange composite de quatre sources (marine, fluviatile, fossile, estuarienne). A court terme (saisonnier, évènementiel), le mélange est encore plus complexe, marqué par certaines sources secondaires.

Les laves provenant de l'arc des Petites Antilles sont caractérisées par une grande variabilité chimique et leurs compositions isotopiques suggèrent une contribution variable de matériel crustal ancien dans leur genèse. L'arc des Petites Antilles est également caractérisé par une zonation chimique nord-sud, les laves des îles du sud présentant généralement des signatures isotopiques crustales plus fortes que celles des îles du nord. Nous avons tenté dans cette étude d'établir s'il existe des variations de la composition chimique des sédiments entrant en subduction le long de l'arc, et si d'éventuels changements de leur composition peuvent expliquer les variations chimiques observées au sein des laves. Pour ce faire, nous avons réalisé une étude géochimique approfondie (majeurs, traces, isotopes du Sr, du Nd, de l'Hf et du Pb) du flux sédimentaire potentiellement entrant dans la zone de subduction à différentes latitudes. L'échantillonnage comprend des sédiments forés au niveau des sites 543 (nord de l'arc) et 144 (extrême sud de l'arc) lors des campagnes DSDP 78A et 14 respectivement, et des sédiments provenant de l'île de la Barbade (sud de l'arc). <br />Les échantillons présentent une grande hétérogénéité lithologique correspondant globalement à un mélange en proportion variable entre une composante détritique et une composante biogénique (siliceuse ou carbonatée). De plus, au niveau du site 144, des niveaux très riches en matière organique (black shales) datant du Cénomanien supérieur au Santonien (~ 95 à 84 Ma) ont été forés. Ces formations correspondent à l'enregistrement des Oceanic Anoxic Events 2 et 3. Nous avons montré que la « dilution » variable de la fraction détritique par la composante biogénique est le facteur qui contrôle largement les variations de concentrations en éléments traces observées. De plus, nous avons révélé un enrichissement en U extrêmement important au sein des black shales du site 144. Les signatures isotopiques de l'Hf, du Nd et du Pb sont dominées par la composante détritique, alors que celle du Sr, dans le cas d'échantillons riches en carbonates est dominée par celle de l'eau de mer. Les sédiments des trois sites présentent des compositions isotopiques du Pb fortement radiogéniques par rapports aux sédiments océaniques « classiques », que nous avons associées à une forte contribution de matériel issu de l'altération des cratons guyanais et brésilien dans la composante détritique. De plus, la décroissance radioactive de l'U dans les black shales du site 144 a généré des rapports 206-207Pb/204Pb extrêmement radiogéniques. <br />Un mélange entre le manteau appauvri et les sédiments du site 543 reproduit les compositions isotopiques des laves de la partie nord de l'arc. Pour la partie sud de l'arc un mélange entre les sédiments les plus radiogéniques en Pb du site 144 et le manteau appauvri explique les compositions des laves des îles de la Martinique à Grenade. Une contribution croissante des black shales du nord vers le sud est nécessaire, et est de plus en accord avec l'augmentation du nord vers le sud de l'âge du plancher océanique subduit. Enfin, quelques sédiments de l'île de la Barbade présentent certaines caractéristiques compatibles avec leur implication dans la genèse des laves de la partie sud de l'arc.

Cette étude utilise une approche multidisciplinaire à dominante géochimique, avec plusieurs objectifs : 1) mieux comprendre les processus géochimiques au cours du cycle de genèse des formations sédimentaires (érosion-transport-accumulation) pour des stages précoces de l'évolution d'un bassin de rift : 2) reconstruire les environnements caractérisant ces deux régions du Rift Est-africain au cours du Pélistocène et de l'Holocène et 3) définir des critères sédimentologiques et géochimiques permettant de discriminer l'activité tectonique et les changements climatiques au cours de l'évolution de ces deux bassins du rift. Les deux bassins considérés comme illustrant deux stages précoces successifs de l'ouverture d'un bassin de rift, sont : 1) le Bassin de Makgadikgadi-Okavango-Zambeze (MOZ), situé dans la région nord-ouest du Botswana et 2) le Bassin de Mpulungu, qui constitue l'extrémité sud-est du Bassin du Lac Tanganyika (Tanzanie et Zambie). L'étude géochimique des sédiments et des eaux du Bassin de l'Okavango a révélé la présence anormale d'arsenic dans les eaux souterraines du delta résultant de la dissolution sous conditions réductrices dans les sédiments. La présence de l'arsenic dans les sédiments est liée aux argiles riches en matière organique déposés dans les conditions lacustres résultant de périodes à pluviométrie plus importante qu'aujourd'hui et du barrage des écoulements de la rivière de l'Okavango apr la faille de Thamalakane. Les données géochimiques ont été utilisées comme marqueur deschangements du climat dans le bassin de Mpulungu. Les sédiments révèlent une excursion remarquable qui coïncide avec le Younger Dryas. Cet événement environnemental apparaît comme le plus important dans la région sud du lac Tanganyika pour la période 23-3 ka, caractérisée par un apport de matériel altéré dans le bassin, suite à une modification importante du couvert végétal.

Les polluants et les matières qui transitent dans les cours d'eau peuvent constituer des stocks dans la colonne sédimentaire. Ces dépôts, soumis aux processus d'autoconsolidation, sont sujets au vieillissement et à l'enfouissement, qui augmentent leur temps de résidence dans la colonne sédimentaire par augmentation de leur résistance à l'érosion. Les flux de polluants peuvent être ramenés aux flux de matières sédimentaires, dont l'érosion est décrite par des lois à seuil. Nous proposons une modélisation du seuil d'érosion d'un sédiment cohésif. Ce modèle considère les propri étés cohésives des matières qui composent les couches sédimentaires, en s'appuyant sur la force attractive électrodynamique de contact de Van der Waals. Cette force, que nous avons paramétrée par la granulométrie et la porosité, vient s'ajouter au bilan des forces généralement considéré pour modéliser le seuil d'érosion. Des expériences d'érosion artificielle ont été menées dans un canal à érosion, avec des sédiments naturels prélevés dans la partie en aval du Rhône, pour en évaluer le seuil d'érosion, la granulométrie et la porosité. Les résultats des expériences alimentent la littérature en données expérimentales sur l'érosion de sédiments cohésifs consolidés. Le modèle d'érosion ainsi développé est appliqué dans les conditions expérimentales. Il donne un bon accord avec les mesures. Nous illustrons sa prise en compte dans un modèle de consolidation, permettant de construire des diagrammes du type Mohr pour l'érosion d'un sédiment cohésif faiblement consolidé.

Les paramètres physiques qui caractérisent les poussières sahariennes en Afrique da l'ouest pendant les mois compris entre novembre et mars de chaque année ont été déterminés sur une longue période de 7 années entre de la période 1997 et 2005. Les mesures ont été effectuées au Ghana. Les concentrations et distributions en taille des particules, le transport et les (lux de dépôt des aérosols sahariennes ont été déterminées dans un intervalle clé 0,5prn à 25pm. Les valeurs moyennées sur toute la saison d'Harmattan montrent des concentrations en nombre comprises entre 24 et 63 particules cm-3 et clés concentrations en masse comprises entre 168 et 1331 pg m-3. La taille (diamètre) moyenne (sur l'ensemble des 7 années] est clé l'ordre de 1,5 /jm. Les résultats montrent des taux de dépôt de 12,7 tonnes/km'/an en 2002 (soit une épaisseur de 4,6 /m de dépôt au sol] et de 31,4 tonnes/km2/an en 3005 (soit une épaisseur de 11¤m)

L'accumulation des sédiments au fond des cours d'eau et des ports pose un problème économique et environnemental. En effet, les particules les plus fines fixent une contamination à la fois organique (HAP, PCB, hydrocarbures) et inorganique (métaux lourds). Une législation de plus en plus sensible à la protection de l'environnement réglemente désormais le dragage et le relargage des sédiments. La société Solvay a mis au point un procédé de traitement baptisé Novosol®, basé sur l'immobilisation des métaux lourds par phosphatation et sur l'élimination des matières organiques par calcination.<br />La valorisation des sédiments traités comme granulat de substitution dans les matériaux à matrice cimentaire fait l'objet de ce travail de thèse.<br />La caractérisation de ces granulats a révélé une porosité et une absorption d'eau très élevées. Constitués par l'agglomération de particules plus fines ils se révèlent friables. Cependant, utilisés en substitution d'un sable de Seine classique pour la confection d'un mortier, l'étude expérimentale de valorisation a montré des gains de résistance à la compression uniaxiale, et ce, même pour une substitution complète du sable. Ces gains ont été attribués au phénomène de cure interne, à l'amélioration de l'interface pâte granulat ainsi qu'à un effet filler. Cela pourrait également expliquer la réduction observée de la perméabilité au gaz. La déformabilité des granulats conduit toutefois à un retrait de dessiccation élevé. Une formulation appropriée permet également l'obtention d'un matériau durable vis-à-vis, notamment, du gel/dégel ou de l'exposition à l'eau de mer.<br />La valorisation dans les matériaux cimentaires est donc envisageable.

A l'heure actuelle, des sédiments fluviaux et lacustres se trouvent pollués par les polychlorobiphényles (PCB), à des degrés de gravité divers. Les PCB se présentent comme des micropolluants persistants dans l'environnement et nuisibles à la santé. Un programme de recherche " PCB-Axelera " est conduit afin de pencher sur cette problématique et explorer les solutions de diminution de cette pollution. En France, l'ensemble des arrêtés préfectoraux (30/10/2002 et 14/06/2000) et le décret du 18/04/2002 considèrent les sédiments pollués comme déchets et autorisent leur stockage dans les installations de stockage de déchets si leurs teneurs en PCB sont comprises entre 0,68 ppm et 50 ppm. L'objectif principal de cette étude est de concevoir une méthodologie adaptée pour une installation de déchets non-dangereux ISDND. Les géomatériaux dans ce stockage seront utilisés comme barrière d'étanchéité pour les sédiments pollués. L'étude est composée de trois parties : Dans la première partie la caractérisation hydromécanique chimique des sédiments pollués par les PCB est présentée. La classification des sédiments est effectuée. Le comportement mécanique du sédiment est déterminé à l'aide de l'œdomètre. Quant au comportement hydromécanique il est étudié à l'aide du filtre presse et du perméamètre à paroi rigide (PPR). Cette caractérisation est indispensable pour proposer la meilleure mise en œuvre des sédiments dans le centre de stockage. Dans la deuxième partie, les performances hydraulique (perméabilité) et mécanique (gonflement) des différents géomatériaux en contact avec un fluide extrait du sédiment et d'autres fluides synthétiques contenant des PCB sont explorées. L'étude du gonflement des géomatériaux est réalisée à l'échelle du laboratoire tandis que, l'étude de sa performance hydrique est réalisée sur deux échelles centimétrique et métrique. L'étude menée sur un pilote de 1,2 m3 de volume comprenant un système de pluviation automatique a permis de suivre les tassements à l'aide d'un capteur ultrason et de mesurer la perméabilité des sédiments et des géomatériaux sous conditions réelles de stockage. Dans la troisième partie, un modèle hydraulique 1D est développé afin de suivre le front d'eau au sein d'un échantillon de sédiment soumis à une charge hydraulique représentant l'expérimentation dans un PPR. La méthode VER est utilisée. Les résultats expérimentaux montrent que le degré de contamination en PCB de ces sédiments n'influence pas le comportement hydromécanique et donc la qualité d'étanchéité des géomatériaux étudiés. Les résultats numériques de simulation du comportement hydraulique du sédiment sont en concordance avec les résultats expérimentaux. La solution de stockage hors site des sédiments pollués est alors envisageable puisqu'elle confine la pollution en éliminant le risque de contamination du milieu environnant.