L’étude biogéochimique des sédiments sableux perméables est un domaine nouveau : le rôle de ces environnements dans les cycles biogéochimiques a longtemps été négligé en raison de leur pauvreté en matière organique et de la complexité des processus transitoires s’y déroulant. Les plages sableuses sont en effet soumises à de nombreux forçages physiques, dont la marée, la houle et la connexion avec l’aquifère continental. Le processus d’advection y est le mode de transport dominant. De grands volumes d’eau de mer chargée en matière organique sont plus ou moins filtrés par les sédiments perméables intertidaux. Le principal objectif de cette thèse était de caractériser les processus biogéochimiques induits par la recirculation de l’eau de mer et les apports d’eau douce dans la zone intertidale dans le cas d’une plage soumise à de fortes conditions hydrodynamiques : la plage du Truc Vert. Un suivi saisonnier des propriétés physico-chimiques des eaux porales a montré que les processus de respiration aérobie interviennent en zone intertidale, dans la lentille de recirculation de l’eau de mer. A l’échelle du littoral aquitain, ces processus représentent un apport annuel de 610 tonnes de nitrate et de 4400 tonnes de carbone inorganique dissous pour l’océan côtier, soit l’équivalent des apports de la Leyre, un petit fleuve drainant un bassin versant de 2000 km2 au sud-est du Bassin d’Arcachon. La macrofaune benthique est dominée par les Crustacés. Ces individus sont caractéristiques de ces milieux complexes, qu’ils subissent mais ne contrôlent pas : la macrofaune benthique contribue faiblement aux processus de respiration aérobie. Seuls 2% du déficit en oxygène des eaux porales du bas de plage leur est attribué en moyenne : les flux biogéochimiques observés en zone intertidale sont donc majoritairement induits par les processus de respiration aérobie des micro-organismes présents dans le sédiment. Soutenus par l’apport régulier d’oxygène dissous dans le milieu poral à chaque marée, ces processus sont également contrôlés par la température et la variabilité des apports de matière organique.Le déploiement de sondes autonomes dans le sédiment de la zone intertidale a également permis de préciser la variabilité à court terme des propriétés des eaux porales. L’extension de la lentille intertidale de recirculation de l’eau de mer est ainsi variable en fonction du marnage et les teneurs en oxygène mesurées en un point fixe de la plage varient légèrement en fonction de ce cycle. Ce travail a donc permis de démontrer que les processus de respiration aérobie varient principalement à l’échelle saisonnière. L’impact ponctuel et local des conditions météorologiques et de la houle a également été mis en évidence. Nous avons démontré l’existence d’un estuaire souterrain sous la plage du Truc Vert. La dynamique de ce système a été explorée grâce à l’installation de piézomètres en haut de plage. L’apport d’eaux douces continentales représente une source supplémentaire de nitrate et de carbone inorganique dissous pour l’océan côtier. L’étude biogéochimique de la nappe phréatique en arrière dune indique l’existence d’un découplage entre le front salin et le front redox au sein de l’estuaire souterrain, ainsi que l’existence d’un intense dégazage de CO2 au niveau de la dune.Les travaux réalisés durant cette thèse permettent de mieux comprendre les processus à l’œuvre dans les sédiments sableux des plages exposées et permettront ainsi le développement de modèles numériques complexes liant hydrologie et biogéochimie. Ils entraînent également de nombreuses perspectives à propos du rôle des plages sableuses à l’échelle locale (en cas de pollution par exemple) mais aussi sur les cycles biogéochimiques globaux, notamment en lien avec le réchauffement climatique et l’élévation du niveau marin (rejets de CO2, salinisation des aquifères côtiers). / Biogeochemical studies in permeable sandy sediments are recent: the role of these environments in biogeochemical cycles was neglected because of their poverty in organic matter and the complexity of transient processes affecting them. Sandy beaches are subject to various physical forcings like tide, waves and connexion with continental groundwaters. Advection is the leading mode of transport. Huge volumes of organic matter-bearing seawater are potentially filtered by permeable intertidal sediments. The main objective of this study was to characterize biogeochemical processes induced by seawater recirculation and groundwater discharge in the intertidal zone of an exposed beach: the Truc Vert beach.Seasonal monitoring of pore water properties showed that aerobic respiration processes occurred in the seawater recirculation plume. Extrapolated to the 240 km-long Aquitanian coast, these processes represent each year an annual release of 610 tons of nitrate and 4400 tons of dissolved inorganic carbon, i.e. the equivalent of the Leyre input, a small river draining a catchment area of 2000 km2 at the southeast part of the Arcachon lagoon.The benthic macrofauna is dominated by Crustaceans. These organisms have a low impact on biogeochemical cycles: the contribution of benthic macrofauna on oxygen deficits observed in the lower beach pore waters is insignificant (< 2%). Biogeochemical fluxes observed in the intertidal zone are mainly induced by the aerobic respiration of microorganisms living in the sediment. Supported by regular tidal inputs of dissolved oxygen on the pore space, these processes varied seasonnally with temperature and organic matter availability.The deployment of autonomous probes into the sediment of the intertidal zone allowed us to clarify the short-term variability of pore water properties. Extension of the intertidal saline plume evolved with the tidal amplitude. Oxygen levels measured at a given point of the beach varied slightly with the lunar cycle. This work showed that aerobic respiration processes varied mainly at the seasonal scale. The local impact of weather and swell was also evidenced.We showed the presence of a subterranean estuary in the Truc Vert beach and its dynamics was explored through the deployment of wells in the upper beach. The input of continental freshwater represents an additional source of nitrate and dissolved inorganic carbon in the coastal ocean. Chemical properties of the fresh groundwater located upstream the beach indicated a decoupling between the salinity gradient and the redox bareer within the subterranean estuary, as well as an intense CO2 degassing at the dune.This study allows to better understand the processes occuring in sandy sediments of exposed beaches and will allow to develop complex numerical models linking hydrological and biogeochemical processes. This work also provides many perspectives on the role of sandy beaches, both locally (in case of pollution, for example) and on global biogeochemical cycles, especially in relation to global warming and sea-level rise (CO2 emissions and seawater intrusion in coastal aquifers).

La colonisation médiévale scandinave au Groenland (986 – 1450 AD) et la reconquête agricole récente de la région sud-groenlandaise, favorisée par le réchauffement climatique en cours, constituent un modèle de référence particulièrement adapté à l’étude des relations entre une communauté humaine et son environnement. Dans cette perspective, une étude sédimentologique multiparamètre a été réalisée sur la séquence sédimentaire du lac d’Igaliku (N61°00’22”, W45°26’28”), situé au cœur de la principale implantation médiévale et du secteur agro-pastoral contemporain. Quatre mètres de sédiments, couvrant la totalité de l’évolution holocène du lac (~10000 ans), ont été étudiés à haute résolution temporelle. L’analyse comprend une caractérisation physico-chimique (densité, susceptibilité magnétique, diagraphie XRF, imagerie rayon-X, granulométrie laser, dosages carbone, azote et souffre, ICP-AES, isotopie δ13C et δ15N de la matière organique) et biologique (pollen, microfossiles non polliniques, diatomées) du sédiment. Vingt-huit datations radiocarbones, ainsi que la mesure l’activité du 210Pb et du 137Cs, permettent d’interpréter le signal sédimentaire dans un cadre chronologique très précis et de reconstruire l’évolution postglaciaire du lac et de son bassin versant, soumis aux contraintes glacio-isostatiques, aux forçages climatiques et aux impacts anthropiques. La première phase d’évolution du système lacustre est principalement sous contrôle isostatique avec une transition rapide d’un environnement marin pro-glaciaire vers un environnement lacustre après émersion du bassin, il y a 9500 ans. Par la suite, la séquence témoigne de l’évolution paléoclimatique de la région. Les paramètres limnologiques et terrestres suggèrent un réchauffement précoce, probablement interrompu par une période froide, sèche et venteuse entre 8600 et 8100 ans cal BP. Un second événement sec et venteux, de 5300 à 4800 ans cal BP, précède la transition néoglaciaire, qui se caractérise, à Igaliku, par une évolution vers un climat plus humide et peut-être plus froid à partir de 4800 cal BP, provoquant une mutation majeure des conditions écologiques terrestres et aquatiques. La diminution des flux de grains de pollen indique un refroidissement notable à partir de 3000 cal BP. Vers l’an 1000, suite à l’arrivée des colons scandinaves, le système lacustre passe sous un contrôle anthropique dominant. Le défrichement et l’introduction d’herbivores domestiques dans le bassin versant du lac produisent un doublement du taux d’érosion des sols (de 4 mm/siècle à 8 mm/siècle vers 1200 AD) et une modification de la qualité des influx organiques. Pour autant, les assemblages de diatomées indiquent que l’écologie du lac n’a été que faiblement affectée par l’agriculture médiévale. A partir de 1325 AD et jusqu’à la fin de la colonie scandinave, vers la moitié du XVe siècle, la végétation présente des signes de résilience et l’érosion des sols régresse. Cette déprise agro-pastorale, probablement en relation avec les prémices du Petit Âge Glaciaire, est en phase avec une importante mutation des pratiques de subsistance attestée par l’archéologie. Le retour du pastoralisme au début du XXe siècle marque une reprise des processus d’érosion, similaires, en intensité, à ceux engendrés par les colons scandinaves. En revanche, l’intensification et la modernisation des pratiques agricoles dans les années 1980 est responsable d’une érosion des sols spectaculaire (~21 mm/siècle) et d’une mutation de l’écosystème lacustre (eutrophisation) sans précédent depuis la formation du lac, il y a 9500 ans. Les effets combinés de l’agriculture et du réchauffement climatique en cours (amorcé dans les années 1920 à Igaliku) aura des conséquences environnementales difficiles à prévoir pour l’avenir de la région / The medieval Norse colonization of Greenland (986-1450 AD) and the subsequent reestablishment of agriculture in south Greenland, aided by recent climate warming, constitute a conceptual model that is particularly well adapted to understanding the relations between a community and its environment. In this perspective, a multi-parameter sedimentological study was undertaken on the sedimentary sequence of Lake Igaliku (N61°00’22”, W45°26’28”), situated in the heart of the medieval and current agricultural sector. The 4 m long sequence, covering the entire Holocene evolution of the lake (~10 000 years), was studied at high temporal resolution. The analyses included the physico-chemical characterization of the sediments (density, magnetic susceptibility, XRF, X-ray imaging, grain size, carbon, nitrogen, and sulphur content, ICP-AES, δ13C and δ15N isotopic ratios) as well as the biological components of the sediment (pollen, non-pollen palynomorphs, diatoms). 28 radiocarbon dates as well as 210Pb and 137Cs measurements created a precise temporal framework with which to reconstruct the postglacial evolution of the lake and its catchment in terms of isostatic constraints, climatic forcing and anthropogenic impacts. The first phase of basin evolution is primarily controlled by isostasy, with the rapid transition from glaciomarine conditions to a freshwater lake as the basin emerged from the fjord 9500 yr BP. Afterwards, the sedimentary sequence records the paleoclimatic evolution of the region. Paleolimnological and terrestrial proxies suggest an early warm phase likely interrupted by a cold, windy, dry period between 8600 yr BP and 8100 yr BP. A second dry, windy period between 5300 yr BP and 4800 yr BP predated the transition to neoglacial cooling, which is characterised at Igaliku by a switch to humid and perhaps cooler conditions after 4800 BP, and which caused a major shift in both aquatic and terrestrial ecology. Approximately 1000 AD, after the arrival of Norse settlers, the lacustrine system became anthropogenically dominated. Land clearing and domestic herbivores introduction in the lake catchment doubled the rate of soil erosion (from 4 mm century-1 to 8 mm century-1 by 1200 AD) and caused a major modification of the organic carbon influx. On the other hand, diatom assemblages demonstrate that the lake ecology was not strongly impacted by medieval agriculture at this site. After 1325 AD, until the end of the Norse tenure in the mid-15th century, terrestrial vegetation showed signs of rebound and soil erosion decreased. This agricultural diminishment, probably in relation to the beginning of the Little Ice Age, is consistent with an important change in subsistence patterns evidenced by archaeology in this region. The reestablishment of agriculture at the beginning of the 20th century marks the reinvigoration of erosional processes that are similar in intensity to that of the Norse settlement. On the other hand, the intensification and modernization of farming practices during the 1980s is responsible for marked soil erosion (21 mm century-1) and a shift in lake ecology (eutrophication) that is unprecedented in the 9500 yr history of the lake. The combined effects of agriculture and climate warming already underway (initiated in the 1920s at Igaliku) will have large environmental consequences for the future of this region

La macrofaune benthique joue un rôle majeur dans le fonctionnement biogéochimique et trophique des sédiments côtiers. Ce travail avait pour but d’évaluer le rôle de la macrofaune dans les échanges métaboliques (oxygène/ammonium) à l’interface eau-sédiment au sein de deux grandes communautés macrobenthiques présente en Manche: la communauté des sables fins à Abra alba et la communauté des graviers à Ophiothrix fragilis. Les résultats montrent que les flux d’oxygène et d’ammonium présentent des variations spatiales et saisonnières liées principalement à la granulométrie, à la température et à la modification de la quantité/qualité de la matière organique. Les flux d’irrigation obtenus (sans effet de la température et de la matière organique) sont corrélés aux caractéristiques de la macrofaune et trois hypothèses de fonctionnement s’applique au sein de ces deux communautés: diversité-stabilité, rivet-pop et idiosyncrasie. Les analyses isotopiques réalisées ont montré que les organismes benthiques assimilent le même type de matière organique et que le fonctionnement trophique de ces deux communautés est similaire. La variabilité des flux d’irrigation observée sur les sites étudiés semble être due à la présence de différentes espèces numériquement dominantes ou suffisamment bien représentées au sein des deux communautés. Il est par conséquent difficile d’établir une loi unique de fonctionnement du compartiment macrobenthique de cet espace Manche. En termes de bilan de carbone, la respiration de ces deux communautés macrobenthiques et de la communauté des sables fins à moyens propres (Ophelia borealis) représentent environ 40% de la production primaire pélagique. / Benthic macrofauna plays a major role in the trophic and iogeochemical functioning of coastal sediments. This dissertation aimed to assess the role of benthic macrofauna in metabolic changes (oxygen and ammonium) at the sediment-water interface in two major macrobenthic communities of Eastern English Channel: the fine sand Abra alba and the sandy gravels community with patches of Ophiothrix fragilis. All along the study, oxygen and ammonium fluxes presented a spatial and seasonal variability mainly related to the particle size of the sediments, to seasonal temperature increase and to changes in the quantity/quality of the organic matter.Irrigation fluxes obtained (without effect of temperature and organic matter) are correlated with macrofaunal characteristics and three functioning hypothesis may apply within these two communities: diversity-stability, pop-rivet and idiosyncrasy. Isotope analysis performed showed that benthic organisms assimilate the same type of organic matter and that the trophic functioning is similar in these two communities. The variability of irrigation fluxes could be attributed to the presence of a few numerically dominant species or adequately represented in the two communities. It is therefore difficult to establish a single law in the functioning of the macrobenthic compartment for the whole Channel area. In terms of carbon budget, the respiration of these two macrobenthic communities and medium-fine sands (Ophelia borealis) is approximately 40% of pelagic primary production.

A travers cette thèse, nous avons cherché à développer de nouvelles méthodes de mesure, basées sur la rétrodiffusion acoustique, pour estimer la concentration massique des sédiments en suspension dans les rivières. Souvent, ces sédiments présentent une distribution granulométrique bimodale, i.e. constituée d’un mélange de sédiments fins et de sable. Le principal avantage des méthodes hydroacoustiques est leur capacité à fournir des mesures avec une résolution spatiale et temporelle bien meilleure que les techniques classiques type prélèvement. L’objectif est in fine d’améliorer l’estimation du flux sédimentaire dans les cours d’eau. Des mesures acoustiques multifréquences, associées à des prélèvements physiques, ont été réalisées sur le terrain et dans une cuve expérimentale au laboratoire. Des méthodes d’inversion du signal acoustique ont été testées et développées au laboratoire sur une suspension homogène de sédiments fins. Une nouvelle méthode en particulier, combinant analyse de la rétrodiffusion et de l’atténuation acoustique, a permis de retrouver la concentration massique des sédiments avec une précision de l’ordre de ± 20 %. En rivière, une méthode mixte alliant données de calibration et inversion du signal acoustique à deux fréquences a été développée, permettant, dans certaines conditions, d’estimer la concentration des sédiments fins et du sable sur l’ensemble de la section en travers d’un cours d’eau. Ce résultat confirme la capacité de la technologie hydroacoustique à fournir une information spatiale sur la suspension. Des écarts parfois importants ont été observés entre la réponse acoustique théorique, calculée à partir des données de concentration et de granulométrie, et les mesures acoustiques sur le terrain. Il semble que ces écarts soient dus à la présence d’autres corps diffusants dans les rivières, probablement des flocs et/ou des micro-bulles d’air. Ces travaux appellent au développement d’un cadre théorique plus performant et adapté aux suspensions rencontrées en rivière. / With this PhD, we have tried to develop new measurement methods, based on acoustic backscattering, to estimate the mass concentration of suspended sediments in rivers. These sediments often show a bimodal grain-size distribution, i.e. composed of a mixture of fine and sand particles. The main advantage of hydroacoustic methods is their ability to provide measurements with a much better spatial and temporal resolution than conventional sampling techniques. The ultimate goal is to improve the sediment load estimation in rivers. Multifrequency acoustic measurements, combined with physical sampling, were carried out in the field and in an experimental laboratory tank. Acoustic inversion methods were tested and developed on a homogeneous suspension of fine sediments in the laboratory. A new method was implemented, combining the analysis of acoustic backscatter and attenuation, and led to retrieve the sediment mass concentration with a precision in the order of ± 20%. In rivers, a semi-empirical method combining calibration data and acoustic inversion at two frequencies has been developed, allowing, under certain conditions, to estimate the concentration of fine and sand sediments throughout the entire river cross-section. This result confirms the ability of hydroacoustic technology to provide spatial information on the suspension. Significant differences were frequently observed between the theoretical acoustic response, computed from concentration and particle size data, and the acoustic measurements in rivers. It seems that these differences could be due to the presence of other scatterers in rivers, probably flocs and/or air micro-bubbles. This work calls for the development of a more efficient theoretical framework suitable for river suspensions.

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. / In order to prepare for the next in situ missions to Mars (MSL-2011 and ExoMars-2018), the objective of mythesis is to create a collection of relevant analogue rocks and minerals for calibrating and testing future (and existing) space flight instruments, in accordance with the geology of Mars. They were characterized using standard laboratory instrumentation (optical microscopy, Raman, IR, XRD, SEM, electron microprobe and ICP-MS), as well as by flight instrumentation in development (Mössbauer MIMOSII, ExoMars Raman and IR (MicrOmega) spectrometers). All the samples are described in an online database in the following web site: www.isar.cnrs-orleans.fr. A part of this thesis is dedicated to the development of a cathodoluminescence (CL) instrument that could potentially be adapted for space flight. Study of alteration processes of basalts on Earth that show some similarities to surface and subsurface processes occurring on Mars may help understand and interpret martian features. Therefore, to complete the collection, samples of hydrothermal and acidic weathered basalts were collected from the Skouriotissa mine in Cyprus. The mineralogical evolution of the basalt through different alteration facies was studied. Because terrestrial basalts are poorer in Fe and Mg than martian basalts, I synthesized two artificial martian basalts. The two artificial basalts are different in terms of cooling rate (~110°C/h and drop-quenched, >1200°C/h). Interestingly, the more slowly-cooled sample exhibits a spinifex texture, similar to that of komatiites. If similar basalts occur on Mars, such rocks when altered by aqueous processes may have astrobiological implications.

Les flux d'eau douce, glace de mer et courants océaniques, de l'Océan Arctique vers les mers nordiques jouent un rôle critique sur l'Atlantic Meridional Overturning Circulation et donc sur le système climatique. Les facteurs contrôlant ces flux sont encore partiellement méconnus. Un moyen indirect de retracer l'intensité et les schémas de circulation de la glace de mer est de retracer l'origine des sédiments qu'elle transporte, et qui sédimentent le long des grands courants de glace et d'eau douce vers l'Atlantique Nord. Il s'agit donc de tracer un flux particulaire direct, lié à la matrice des particules détritiques. Un second flux, indirect, provient des éléments dissous dans les masses d'eau, marqués par les processus d'adsorption/désorption le long des marges où les flux particulaires terrigènes sont les plus importants. L'extraction de la phase authigène d'un signal dissous par lessivage spécifique, a permis de documenter l'évolution des masses d'eau transitant par le détroit de Fram. Les données isotopiques de Pb, Nd et Sr nous ont permis d'identifier deux sources principales de sédiments depuis le dernier maximum glaciaire jusqu'au Dryas Récent : les marges canadiennes et russes alors recouvertes par des calottes de glace. Après le Dryas Récent, les sources sédimentaires sont plus diverses avec notamment une contribution des marges groenlandaises et des mers de Chukchi et Est Sibérienne. La fraction authigène montre un changement entre ~ 19.8 et 16.4 ka probablement liée à la déglaciation de la calotte Eurasienne. Plus récemment, les valeurs [Epsilon]Nd suggèrent une influence accrue des eaux Pacifiques sur les masses d'eaux sortantes par le détroit de Fram / Freshwater exports (sea-ice and oceanic currents) from the Arctic Ocean to the nordic seas is a critical component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation and hence of the climatic system. Factors controling those exports are still partially unknown. An indirect way of tracing the intensity and patterns of sea-ice circulation is to trace the origin of the sediments it carries and that settle along the main drift routes towards the North Atlantic. We hence document a direct sedimentary flux that is linked to the detrital particle matrices. Another flux, this one being indirect, comes from the dissolved elements that adsorb onto particles along continental margins where sedimentary fluxes are the highest. We have extracted the authigenic (dissolved) phase from the sediment in order document the evolution of water-masses in Fram Strait since the last glacial maximum. Pb, Nd and Sr isotopic data allowed us to identify two sedimentary sources from the late glacial to the onset of the younger Dryas : canadian and western russian margins, then covered by large ice sheets. After the Younger Dryas however, sedimentary supplies originate from several sources including Greeland, Chukchi Sea and East Siberian Sea margins. The authigenic phase displays a change from 19.8 to 16.4 ka likely linked to the early deglaciation of the Eurasian ice sheet. More recently, [Epsilon]Nd values reflect a more important contribution from the Pacific on water masses exiting through Fram Strait

La gestion au long terme des sédiments de dragage contaminés soulève le problème du devenir des éléments potentiellement toxiques contenus dans ces matrices. Les paramètres physicochimiques influencent la spéciation et la distribution des contaminants sur les différentes phases porteuses organiques ou minérales, ainsi lors de la gestion à terre des sédiments la modification de facteurs tels que l’aération, les cycles d’humectation/séchage et l’activité bactérienne va influencer les paramètres physico-chimiques et donc la spéciation des contaminants. Afin de préciser les mécanismes responsables de la mobilité des éléments potentiellement toxiques et d’estimer l’acceptabilité environnementale des sédiments de dragage en scénario de valorisation (p. ex. butte paysagère, remblai ou sous couche routière), l’étude a été axée sur trois principales étapes :I établir la caractérisation totale des sédiments (granulométrie, minéralogie, teneur en eau, composition de la phase solide, composition de l’eau interstitielle) et évaluer selon des procédures normaliséesl’influence de facteurs (pH, L/S, température…) sur la lixiviation des éléments et sur les mécanismes géochimiques mpliqués ; II développer un jeu de paramètres d’entrée pour le code géochimique ORCHESTRA selon des procédures normalisées (quantification des phases porteuses les plus réactives : argiles, carbonates, oxy-hydroxydes de fer ou d’aluminium et matière organique - acide fulviques et humiques) ; III modéliser et prédire les courbes de solubilité des éléments décrites lors des tests normalisés issus de l’étape (i) par l’intermédiaire du jeu de paramètres d’entrée défini dans l’étape II. Les tests de lixiviation et la réalisation de modèles sont des approches complémentaires, indispensables pour appréhender et préciser les mécanismes contrôlant la mobilité et la rétention des éléments. Les modélisations des tests de lixiviation dynamique en colonne sont très sensibles aux variations des paramètres d’entrée, c’est pourquoi les modèles pour les éléments majeurs doivent être le plus adéquats possible. En général, les prédictions pour Al, Ca, Cl, Fe, H2CO3, Mg, Si, SO4, Cu, Cr, MoO4 2- , Pb et Zn ont été proches des données expérimentales, ce qui a indiqué que les processus majoritaires contrôlant la solubilité des éléments ont été pris en compte. Par contre, les prédictions pour Ni et As n’ont pas été satisfaisantes, montrant que certains processus de rétention restent encore inconnus et qu’ils ne sont pas pris en compte par la base de données MINETEQ2A. Pour mieux décrire le comportement d'As, il semblerait intéressant d’intégrer, dans le module NiCA-Donan, la complexation potentielle d'As par la MON. / The long-term management of contaminated dredged sediments raises the problem of the fate of the potentially toxic element contained in these matrixes. The physico-chemical parameters influence the speciation and distribution of contaminants between organic or inorganic bearing phases, and the terrestrial management of sediment induces the modification of factors such as oxydation, wetting / drying cycles or bacterial activity that will influence the physico-chemical parameters and thus the contaminant speciation. In order to identify the main mechanisms responsible for the mobility ofpotentially toxic elements and to estimate the environmental acceptability of dredged sediment in valuation scenario (as hill landscape, road fill or undercoat), the study was organized following three main steps I characterizing the sediment (particle size, mineralogy, moisture content, solid phase and pore water composition) and evaluating factors (pH, L / S, temperature ...) that control the leaching of elements, according to standardized procedures, II developing a set of input parameters for the geochemical code ORCHESTRA according to standardized procedures (quantification of the most reactive carrier phases : clays, carbonates, oxyhydroxides of iron or aluminum and organic matter - fulvic and humic acid) III modeling and predicting the solubility curves of the elements described in the standardized tests from step (i) using the set of input parameters defined in step (ii). Leaching tests and implementation models are complementary approaches that are necessary to understand the mechanisms controlling the mobility and retention of elements. Modeling of column dynamic leaching tests is very sensitive to changes in input parameters, so the model for the major elements should be as adequate as possible. The obtained predictions for Al, Ca, Cl, Fe, H2CO3, Mg, Si, SO4 2-, Cu, Cr, MoO4 2-, Pb and Zn were close to the experimental data, which indicates that the main processes controlling the solubility of elements were taken into account. The predictions for Ni and As, however, were not satisfactory, showing that some retention processes are still unknown or were not taken into account by the database MINETEQ2A. A better description of As behavior would require to include inAs complexation by the MON in the module Nica-Donan.

Le système turbiditique profond associé au fleuve Ogooué s’étend sur plus de 500 km au large des côtes Gabonaises. Le bassin versant du fleuve est soumis à un climat équatorial propice à la mise en place d’une couverture végétale très dense et les apports fluviatiles en nutriments conduisent à une forte productivité primaire océanique dans le Golfe de Guinée. Ce système est ainsi un objet d’étude privilégié pour analyser les différents modes d’accumulation de matière organique au niveau d’une marge continentale dominée par un fleuve. Une analyse morpho-bathymétrique de la zone, associée à l’interprétation de données de sismique très haute résolution a permis d’appréhender l’architecture et le mode de fonctionnement de ce système. Cette étude a permis de mettre en évidence une zone à forte densité de chenaux turbiditiques méandriformes alimentés par une rampe de plusieurs canyons entaillant le plateau continental mais non connectés au delta actuel du fleuve. La zone distale de lobes est quant à elle située au débouché d’une large vallée qui canalise les écoulements turbiditiques. Des analyses sédimentaires (granulométrie, XRF, DRX) et géochimiques (%Corg, δ13Corg, palynofaciès, n-alcanes et tétraéthers) ont été réalisées sur neuf carottes Küllenberg prélevées dans différents environnements de dépôt du système. L’objectif est d’étudier la teneur en matière organique et son origine en fonction du mode de dépôt des sédiments et de comprendre la dynamique spatio-temporelle de son accumulation sédimentaire. Les analyses réalisées ont permis de révéler une binarité marquée dans les modes d’accumulation au sein de ce système. Les sédiments silto-argileux issus d’une sédimentation hémipélagique apportent peu de carbone organique continental mais une quantité importante de carbone organique marin qui forme des agrégats organo-minéraux avec les minéraux argileux de smectite exportés par le fleuve. Les écoulements turbiditiques sableux permettent quant à eux de faire transiter jusque dans les lobes distaux de fortes concentrations de débris végétaux très bien conservés. Ces séquences turbiditiques peuvent entrainer des enrichissements marqués en carbone organique continental (>5% TOC) au niveau des levées des chenaux turbiditiques et des dépôts sableux de lobes et constituent le principal mode de dépôt de Corg dans ces éléments architecturaux. La teneur en matière organique est également très fortement modulée par les variations glacio eustatiques. Durant les périodes de bas niveau marin relatif, l’accumulation organique est bien plus forte que durant les périodes de haut niveau marin. Ces fluctuations s’expliquent par l’effet combiné d’une plus forte productivité marine enregistrée en période glaciaire et d’un transfert sédimentaire entre le continent et le domaine profond très intensifié grâce au bas niveau marin. L’activité du système turbiditique est en effet dépendante de la connexion entre le système fluviatile et les têtes de canyons qui n’est possible que lorsque le niveau marin est bas. Bien que l’export de carbone continental vers l’océan dans ce système soit fort, les estimations du taux de préservation du carbone continental exporté par le fleuve montrent que la majorité du carbone est reminéralisé dans l’océan. Les taux de sédimentation relativement faibles sur l’ensemble du système du fait de la prédominance de la sédimentation hémipélagique sur la sédimentation turbiditique ne permettent pas une préservation optimale de la matière organique. / The Ogooué deep-sea turbidite system is located on the Gabonese margin and extends up to 500 km off the coastline. A dense vegetation due to the wet equatorial climate prevails on the Ogooue drainage basin and a strong primary productivity is observed in the waters of the Gulf of Guinea. These two features make the Ogooue system a good example to study the characteristics of organic carbon accumulation on a river-dominated ocean margin. A morpho-bathymetric analysis of the area combined with a study of seismic lines allowed us to define the architecture and the dynamic of the system. It is composed of an area where numerous meandering channels are localized and fed in sediments by several aligned canyons. The canyons heads incise the shelf but do not extend to the present-day Ogooué delta. Terminal depositional lobes are present at the exit of a large valley that funnels turbidity currents. Sedimentary (grain size, XRF, XRD) and geochemical (%Corg, δ13Corg, palynofacies, n-alkanes and GDGTs) analysis were performed on nine Küllenberg cores taken in different sedimentary environments of the system. These analyses aim at defining the Corg content of the cores as well as its origin and to link these parameters with the sedimentation type. The temporal and spatial repartition of carbon accumulation was also considered. Results show that hemipelagic sedimentation appears as quite inefficient to transport terrigenous organic carbon but is effective to bury marine organic carbon that forms aggregates with the smectite clay particles supplied by the river. Conversely, the sandy turbidites transport high quantity of terrigenous Corg to the deep sea areas. This Corg appears mostly under the form of well-preserved plant debris. These organic-rich turbidites (>5% TOC) form the main way of deposition of organic carbon in the levees of the turbidite channels and in the terminal lobes. Organic carbon accumulation is also strongly controlled by glacio eustatic variations. Low sea-level periods are characterized by very high organic carbon accumulation compared with high sea-level periods. Theses variations are the results of the combination of a higher marine productivity during glacials and a more intense export of terrigenous particles (both mineral and organic) during sea-level lowstand. The turbidite system activity is indeed governed by the connection between the canyons ‘heads and the riverine delta. This connection occurs only during lowstand. However, even though the export of organic carbon in the system is strong, the estimated preservation rates attest that most of the terrigenous organic carbon is mineralized in the ocean and not buried in the sediments. Globally low sedimentation rate on the whole system and the domination of hemipelagic over turbiditic sedimentation do not allow a better preservation of the organic material.

La resuspension de sédiments contaminés peut entraîner le relargage d'éléments traces métalliques (ETM) dans la phase dissoute. Pour anticiper le risque de remobilisation des ETM lors de la vidange des retenues de barrages et créer un modèle géochimique permettant de prédire ce risque, des expériences de resuspension de sédiments provenant de trois retenues ont été réalisées pendant une semaine dans un réacteur. Le pH et le potentiel redox ont été suivis en continu et des échantillons ont été prélevés afin de mesurer l'évolution des ETM dissous. Trois grandes tendances d'évolution des ETM ont été mises en évidence et ne sont pas modifiées par les variations des masses de sédiment en suspension (entre 2 et 9 g/L): 1) Cr, Cd et Zn ne sont pas relargués. 2) Mn, Fe Co, Pb, ainsi que As pour deux retenues, augmentent puis diminuent au cours du temps. Ces éléments sont contrôlés par les oxyhydroxydes de Fe et de Mn et l'évolution du potentiel redox dans la solution. 3) Mo, Al, ou As pour une retenue, continuent d'augmenter à la fin des expériences, révélant des processus de relargage plus lents et une stabilisation dans la phase dissoute. Dans les trois retenues, As est l'élément le plus fortement et durablement relargué. Ces données expérimentales ont été utilisées pour calibrer un nouveau modèle géochimique développé par EDF sur ECOLEGO, intégrant la cinétique des réactions d'échange des ETM entre la phase dissoute et trois types de phases solides: les oxydes, les particules organiques et les carbonates. La calibration des paramètres cinétiques permet de bien reproduire les évolutions temporelles des concentrations qui augmentent (relargage) puis diminuent (piégeage). / The resuspension of the contaminated sediments may promote the remobilization of trace metals to the dissolved phase, threatening the water quality. The dam reservoirs sometimes need to be fully drawn down and being able to anticipate the release of the contaminants is essential to improve the management of reservoirs and assess the risk of water quality degradation. Surface sediments were collected in three contaminated dam reservoirs and aliquots of wet sediments were resuspended for a week in a reactor. The pH and the redox potential were continuously measured, dissolved samples were collected and the evolution of dissolved trace elements concentrations were measured. Depending on the elements, different temporal trends can be highlighted during the resuspension experiments. These evolutions were reproducible, regardless of the mass of sediment used from 2 to 9 g/L. 1) Cd, Cr and Zn were not released; 2) Mn, Fe, Co, Pb and As for two reservoirs, increased and then decreased during the experiments and were regulated by the Fe- and Mn-oxyhydroxides and the redox potential; 3) Al, Mo, or As for one reservoir, were still increasing at the end of the experiments, showing slower release processes and the stabilization of these elements under dissolved forms. For theses three reservoirs, As showed the greatest and the most prolonged release during resuspension. The experimental trends of dissolved metals were used in the firts calibration steps of a new chemical speciation model developped by EDF, which takes several kinetic rates into account for the exchange reactions of dissolved metal between water and three types of solid phases.

Les akinètes sont des cellules de résistance produites par les cyanobactéries de l’ordre des Nostocales. Issues de la différenciation de cellules végétatives, les akinètes sont capables de persister en surface des sédiments pendant la période hivernale puis de germer au printemps pour recoloniser la colonne d’eau. Le suivi des populations pélagiques et benthiques effectué pendant deux années sur le lac d’Aydat a montré que les akinètes présents à la surface des sédiments sont représentatifs de la diversité et de l’abondance, des proliférations nostocaléennes passées. Leur capacité à persister dans les sédiments sur de longues échelles de temps a permis de mettre en évidence la présence de cyanobactéries il y a plusieurs milliers d’années. La présence récurrente d’akinètes dans les sédiments jusqu’à la période actuelle indique la persistance d’un niveau trophique élevé sur l’ensemble de l’histoire de ce lac. Parallèlement, le potentiel toxique des akinètes, étudié via la détection des gènes anaC et mcyA, a montré la co-occurrence de ces deux cyanotoxines dès les premiers blooms cyanobactériens, il y a plus de 6700 ans ainsi que la récurrence d’anaC, associé à Dolichospermum macrosporum, au moins sur les 30 dernières années. Par ailleurs, d’importantes différences de pourcentage d’intégrité des akinètes ont été observées en fonction des espèces, variant en moyenne de 5 à 60% pour les deux espèces dominantes, D. macrosporum et D. flos-aquae respectivement. Cette variabilité serait le reflet des interactions écologiques survenues dans la colonne d’eau et traduirait des stratégies écologiques différentes. De même, la capacité et le temps de germination semblent être espèce dépendante, ce qui permettrait un étalement de la période de recrutement en fonction des conditions environnementales. Malgré une perte globale de viabilité avec le temps, des akinètes enfouis depuis 1800 ans dans les sédiments ont révélé leur capacité à germer, confirmant l'importance de ces cellules de résistance dans la pérennisation à long terme des proliférations nostocaléennes. / Akinetes are resistant cells produced by cyanocteria of the Nostocales Order. Originating from the differentiation of vegetative cells, Akinetes are able to persist in surface sediment duringg winter and then germinate in spring to recolonize the water column. Monitoring on pelagic and benthic populations performed during two years in lake Aydat has shown that the akinetes present in surface sediments are representative of diversity and abundances of past nostocalean proliferations. Akinetes capacity to persist in sediment at large time scales has allowed to highlight cyanobacterial presence since several thousand years. Recurrences of akinetes in sediment from 6 700 years to present day presume that the trophic level stayed high through the history of this lake. In parallel, the toxic potential of akinetes, studied with the detection of anaC and mcyA genes, has shown the co-occurrence of anatoxin-a and microcystins the since first cyanobacterial blooms, 6 700 years ago and the recurrence of anaC associated to Dolichospermum macrosporum since at least the last 30 years. On the other hand, high differences of intact akinete percentages have been observed depending on the species, with mean values of 5 and 60 % for D. macrosporum and D. flos-aquae (the two dominant species) respectively. This varibiliy may be the reflect of ecologic interactions which occurred in the water column and may be due to different ecological strategies. Moreover, ability and time of germination seem to be dependent, which may allow to extend the window of recruitment depending on environmental conditions. Despite a high loss of viability over time, some akinetes buried since 1 800 years in sediments have shown their ability to germinate, confirming the importance of these resistant cells in the long scale perpetuation of nostocalean blooms.