Le contrôle de l'érosion et la rétention de sédiments comptent parmi les services les plus importants rendus par la végétation, mais ces fonctions sont de moins en moins bien remplies dans de nombreux milieux. Dans les Alpes du Sud françaises, de vastes affleurements marneux sont soumis à une érosion hydrique intense qui provoque chaque année la perte de quantités considérables de sol et menace les biens et les personnes en aval des bassins versants. Face à la dégradation des milieux, de nombreuses opérations de restauration écologique sont menées afin de rétablir les fonctions des écosystèmes et d'assurer un contrôle durable de l'érosion. Depuis une dizaine d'années, le rôle des traits fonctionnels dans le fonctionnement des écosystèmes fait l'objet d'un questionnement important en écologie et motive de nombreuses recherches. Les traits fonctionnels déterminent à la fois la réponse des espèces végétales aux contraintes environnementales et leur effet sur les processus des écosystèmes. Ils permettent également la généralisation et la modélisation des résultats pour une plus grande valeur opérationnelle. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif de mieux comprendre les relations entre les traits fonctionnels des plantes et, d'une part leur réponse aux contraintes érosives, d'autre part, leur effet de protection contre l'érosion. La résistance des espèces végétales au déracinement et à l'ensevelissement lors d'épisodes érosifs intenses ainsi que leurs fonctions de stabilisation des sols et de piégeage des sédiments ont ainsi été étudiées sur des espèces herbacées et ligneuses dans leurs premiers stades de développement. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence les traits fonctionnels principaux qui influencent la réponse et l'effet des espèces à/sur l'érosion. Ainsi, des traits décrivant la morphologie du système racinaire, tels que le pourcentage de racines fines, ont pu être reliés à la résistance au déracinement et à la fixation des sols, alors que la forme de croissance et des traits décrivant la morphologie aérienne sont apparus déterminants respectivement dans la résistance à l'ensevelissement sous des sédiments et leur piégeage. Ce travail contribue à approfondir les connaissances en écologie de la restauration appliquée aux milieux érodés de montagne et à améliorer les outils de gestion. En particulier, les résultats peuvent être utilisés pour le diagnostic de la vulnérabilité des milieux à l'érosion ou pour prévoir le succès des opérations de restauration.

Cette étude analyse l'effet de la structure du sol sur le transfert particulaire par l'érosion hydrique diffuse. Le travail s'appuie sur des simulations de pluie en laboratoire et sur la détermination de la composition granulométrique agrégée des fragments de sol produits par les processus érosifs. Chacun des processus érosifs — désagrégation, mise en mouvement par la pluie, transfert par splash et transport par le ruissellement — est étudié séparément afin de mieux appréhender les mécanismes physiques impliqués. La réalisation de bilans de masse à partir des flux mesurés permet d'identifier la sélectivité granulométrique de la mise en mouvement par la pluie et du transport par le ruissellement. Du fait de cette sélectivité, la composition des fragments de sol mis à disposition des processus conditionne l'intensité des flux érodés. À partir de ces résultats, un modèle de prédiction de l'exportation des sédiments par l'érosion diffuse est ébauché. Ce modèle conduit à la prise en compte de la dynamique structurale des sols dans la modélisation déterministe de l'érosion hydrique diffuse.

Ce travail de thèse s'insère dans le cadre des recherches menées sur les enregistreurs naturels continentaux, et sur leur intérêt en tant que mémoire environnementale et climatique. Un grand nombre d'études ont, en effet, été menées sur les glaciers alpins, les cernes d'arbres, les dépôts lacustres et les spéléothèmes entre autres. Devant la richesse des informations ainsi mises à jour quant aux évolutions environnementales et climatiques passées, pour des échelles locales à régionales et avec une résolution annuelle à décennale, la nécessité d'étudier les dépôts détritiques endokarstiques et d'évaluer la mémoire de ces archives naturelles s'est imposée. <br /><br />Dans cette recherche, nos objectifs sont de deux ordres. Il s'agit tout d'abord de comprendre les dynamiques de dépôt des sédiments étudiés en intégrant au mieux les spécificités et contraintes induites par le milieu endokarstique. En ajustant les méthodes de la sédimentologie classique, nous cherchons donc à mieux saisir les modalités de la sédimentation en milieu souterrain, de façon à avoir une meilleure lecture des dépôts accumulés. En parallèle, notre travail vise à caractériser, par la construction de « cartes d'identités », les différents modes de piégeage sédimentaire reconnus sous terre, en vue d'une typologie. Cette identification est importante dans la mesure où elle pourrait permettre, à terme, de travailler sur des dépôts endokarstiques anciens, dont la dynamique de sédimentation n'est plus observable aujourd'hui. Ainsi, les données environnementales archivées par ces dépôts seraient mieux déchiffrées. <br /><br />A travers l'étude de deux sites complémentaires, les grottes de Choranche dans le Vercors et l'aven d'Orgnac dans le Bas-Vivarais ardéchois, nous avons donc entrepris l'analyse à haute résolution de différents remplissages détritiques fins, soit encore actifs soit non fonctionnels. Les méthodes mises en œuvre ont été empruntées aux sédimentologues, et vont de la granulométrie au traitement de signal, en passant par les images de Passega et des mesures de colorimétrie ou encore de susceptibilité magnétique. Un important volet de méthodes karstologiques est également intégré, afin de toujours repositionner notre objet d'étude dans son contexte. <br /><br />De cette double approche, il ressort que les sédiments détritiques de l'endokarst fonctionnent comme un enregistreur des fluctuations environnementales locales ; les écoulements étant le principal vecteur de transmission de l'information. C'est aussi une grande complexité de l'archivage qui a été mise en avant, et qui s'exprime à plusieurs niveaux de nos recherches. Ainsi, le choix de la carte d'identité des modes de piégeage sédimentaire doit être retravaillé pour tenter de voir si une caractérisation plus fine est possible, en vue d'atteindre une meilleure reproductibilité. D'autre part, à partir des datations au 14C de charbons de bois, la chronologie de cette archive n'a pas pu être clairement mise en évidence. A travers les différents signaux sédimentaires étudiés, il semble que la résolution peut être très variable ; étant directement soumise aux dynamiques de sédimentation, mais aussi selon les sites. Ces résultats sont les premiers jalons de recherches ouvrant de nombreuses perspectives, parmi lesquelles les datations et notamment la méthode du 210Pb, occupent une place de choix. C'est une des clés de lecture les plus importantes par rapport au but final envisagé, en filigrane dans ce travail de doctorat : la possibilité de reconstitutions paléoenvironnementales et paléoclimatiques à partir des archives détritiques endokarstiques.

Le secteur du transport maritime assure le plus grand volume des échanges commerciaux entre la Tunisie et des pays du monde entier. L'entretien régulier des ports, particulièrement par le dragage des sédiments qui s'y accumulent, est indispensable pour garantir une circulation maritime fluide et sécuritaire. En Tunisie, les sédiments dragués sont soit rejetés en mer soit mis en dépôts terrestres. Bien que le rejet en mer soit interdit dans certains cas, par les critères environnementales adoptés, il constitue la solution la plus économique et donc la plus fréquemment utilisée. Dans le cadre de cette étude les sédiments de deux ports : le port de Radès et le port de Gabès ont été caractérisés en vue de comprendre leurs comportements et proposer au moins à un des deux cas une nouvelle alternative de gestion à savoir une valorisation dans un matériau de construction ou routier. Une telle solution doit présenter un grand intérêt économique et environnemental. Les sédiments du port de Radès sont étudiés car ils représentent le plus grand volume des sédiments dragués en Tunisie et que ce port est le plus important dans l'activité du transport marin. Les sédiments du port de Gabès sont considérés dans cette étude car ils posent un grand problème écologique à cause des rejets industriels. La caractérisation a concerné la détermination et l'analyse des propriétés physiques, minéralogiques, chimiques et environnementales des sédiments. Cette étude a permis de dresser des fiches synoptiques assez complètes des propriétés des sédiments du port de Radès et du port de Gabès

Les modèles d'érosion et de transport couramment utilisés sont construits à partir de données empiriques obtenues avec des sédiments de granulométries quasi uniformes. Or, il y a beaucoup de situations pour lesquelles la granulométrie des sédiments n'est pas uniforme. Les expériences réalisées en laboratoire et dans les rivières montrent que l'érosion et le transport des sédiments dépendent de la dispersion du diamètre des grains. Cette observation est à l'origine de cette thèse qui a pour objectif l'étude de l'influence de la distribution du diamètre des grains sur le transport de sédiments. Cette influence est envisagée à partir du développement d'un modèle numérique. La prédiction de l'érosion et du transport de sédiments tient de la résolution de deux problèmes : le premier est lié à l'écoulement au dessus du lit, le second à la mise en mouvement du sédiment. Le modèle développé détermine explicitement le mouvement des grains dans le lit de sédiments lorsque sa face supérieure est soumise à un écoulement. Pour cela, il mobilise la Méthode des Eléments Discrets (DEM), développée par Cundall et Strack (1979). Afin de reproduire l'effet de la topographie du lit sur le champ de vitesse du fluide, le modèle DEM est couplé avec le modèle d'écoulement FLOWSTAR. Le modèle FLOWSTAR est proposé par Carruthers et al. (2004) pour déterminer l'écoulement moyen dans une couche limite turbulente atmosphérique au-dessus des collines de faible pente. Le modèle numérique développé est appliqué à différents types d'arrangements de grains. Il permet d'estimer l'évolution du débit de sédiments au cours du temps pour différentes vitesses de frottement. Les seuils d'érosion des lits et l'évolution des débits de sédiments en fonction de la vitesse de frottement sont conformes à l'expérience. L'utilisation de l'approche DEM permet par ailleurs de connaître le comportement des grains dans et à la surface du lit au cours du temps (profil vertical de la vitesse des grains à l'intérieur de l'arrangement par exemple)

Cette thèse porte sur le rôle des précipitations sur l'érosion et la formation des reliefs dans l'Himalaya Népalais. J'étudie chaque étape du processus d'érosion : 1) Evaluation des bases de données de précipitations, 2) Transfert des précipitations au débit fluvial, 3) Mobilisation et transport du matériel dans le bassin versant, et enfin 4) Mécanismes d'érosion sur de longues échelles de temps. Je montre que la base de données de précipitations obtenue par interpolation de données pluviométriques est la plus performante pour la région de l'Himalaya. Je démontre l'importance d'une composante majeure, jusqu'alors ignorée, du cycle de débit de l'Himalaya que j'identifie comme étant les aquifères de sous-sol fracturé, et j'évalue la contribution de la fonte des neiges et glaces aux rivières Himalayennes. Les taux d'érosion calculés à partir des flux de sédiments en suspension et des analyses de nucléides cosmogéniques varient de 0.1 à 4 mm/a. Les rivières au Népal sont limitées par l'apport sédimentaire alors que les versants, en tant que source de sédiments, sont limités par le transport. Enfin, je montre que l'érosion sur des milliers d'années ne dépend des précipitations mais du relief.

Sur les bassins versants des Terres Noires, les sédiments marneux sont dégradés très rapidement. Les matériaux fins ainsi produits peuvent être à l'origine d'épisodes de crues très concentrées (800~g/L). La première partie de cette thèse traite des processus responsables de la production de sédiments fins. Ces processus adviennent à deux échelles de temps : A long-terme, entre les périodes de crues, les matériaux du lit exposés aux intempéries sont altérés sous l'effet de cycles gel/dégel et humectation/dessication. Pour quantifier cette vitesse d'altération, les données climatiques de Draix sont combinées à des expériences sur la sensibilité des marnes aux alternances de température et d'humidité. A court-terme, pendant les crues, les matériaux charriés sont soumis à l'abrasion et à la fragmentation sous l'effet de sollicitations mécaniques. Des expériences en canal circulaire permettent de quantifier la dégradation pendant les crues. On montre finalement qu'il est indispensable de considérer ces deux échelles de temps pour rendre compte de la vitesse de dégradation totale observée dans les lits. Pour étudier plus en détail la dégradation mécanique pendant les crues, on investigue l'effet de la fragmentation et de l'abrasion à l'échelle d'un caillou par l'intermédiaire de simulations numériques avec la méthode des éléments discrets et d'expériences de fragmentation. Les propriétés de rupture de la marne ainsi obtenues sont ensuite intégrées dans une modélisation de l'évolution d'une distribution granulométrique sous l'effet de la fragmentation et de l'abrasion. Les résultats indiquent que la fragmentation et l'abrasion sont également importantes mais que l'efficacité de la fragmentation décroît au cours de la sollicitation. Dans une seconde partie, on étudie le comportement d'une suspension de sédiments fins de marnes, et l'influence de la concentration sur son écoulement. Cette étude est basée sur des mesures de rhéométrie et sur des expériences d'écoulement en laboratoire pour différentes configurations de pente, débit, rugosité, concentration. Les expériences mettent en évidence une transition vers un comportement non-newtonien à forte concentration (au-delà de 600 g/L). Ceci se traduit notamment par un ralentissement de l'écoulement associé à l'apparition d'une zone de "plug" non-cisaillée L'écoulement devient alors laminaire et le frottement augmente fortement. Ce changement de comportement sur le terrain peut être une source d'erreurs non négligeable dans l'estimation des débits lors des crues chargées.

Oruro est situé dans l'Altiplano Bolivien à 230 km au sud de La Paz. Le principal système hydrologique est endoréique et est constitué par les sous-bassins du lac Titicaca-rivière Desaguadero-lac Poopó-salar du Coipasa (TDPS). Cette zone présente une saison sèche (DS) et une saison humide (WS). Malgré l'existence de la WS, les précipitations sont rares, néanmoins, l'intensité augmente interannuellement associé aux événements ENSO. Géomorphologiquement, ce site est composé de: l'Altiplano et la Cordillère Occidentale liés aux dépôts épithermaux et Cu et la Cordillère Orientale liée aux nombreuses ceintures métallogéniques, la plus connue est la ceinture de Sn. Le Département d'Oruro est situé dans la partie centrale de cette ceinture, et malgré le fait que cette ville a été soumise à des activités minières depuis le XVIIème siècle, les caractéristiques géochimiques et les processus de dispersion qui affectent cette zone sont peu connus. Les faits exposés précédemment, ont motivé une étude géochimique détaillée des carottes sédimentaires lacustres dans ce domaine. Deux campagnes de carottage (DS et WS) ont permit de récupérer 5 carottes sédimentaires, 4 dans le lac Uru Uru (2 en DS et 2 en WS) et une à la lagoon Cala Cala (18 km E d'Oruro), ce dernier pour déterminer le fond géochimique local. Analyses de laboratoire ont été effectuées au Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie (LMTG, Toulouse), où un total de 91 échantillons de sédiments et 222 échantillons des eaux interstitielles (PW) ont été étudiés. Le fond géochimique et les sources des éléments traces nous ont permis de proposer que le fond géochimique naturel de As et Sb est significativement plus élevé par rapport de la croûte continentale supérieure (UCC), les niveaux de fond mondial, les centres industriels et les sites miniers historiques. Ces conclusions nous ont permis de soutenir l'utilisation des coefficients d'enrichissement (EF) locaux et jeter l'utilisation de l'UCC pour calculer les EFs. Il existe une multiplicité de sources des contaminants qui ont difficulté la discrimination entre apports naturelles et apports anthropiques dans ce bassin. Cependant, nous proposons que l'impact anthropique dans les sols superficiels est liée à la dispersion des éléments traces par la Fonderie de Vinto, tandis que le lac Uru Uru est plutôt influencé par les activités minières. Études de diagenèse précoce, nous ont permis de déterminer que les éléments traces au sein du lagoon Cala Cala sont moins disponibles et mobiles que dans le lac Uru Uru et des fortes concentrations des éléments traces en solution sont expliqués par la proximité des ceintures métallogéniques situées le long de la Cordillère Orientale, et non par influence anthropique. Le nord du lac Uru Uru présente des concentrations inférieures moyennes des éléments traces dissous et leur comportement est fortement associée à des changements saisonniers, parce que l'environnement réductrice atteint au cours de la WS entraîne la libération des éléments traces que la dissolution réductrice des oxyhydroxides de Mn a lieu. Dans ce domaine, le comportement des éléments traces dans l'état solide montrent des changements modérés entre les différentes saisons. Les éléments traces dans le sud du lac Uru Uru sont les plus réactifs, disponibles et mobiles. Au cours de la DS le comportement des éléments traces dissous est associé à l'évaporation, cette réaction n'a pas été observée au cours de la WS. Les plus fortes concentrations du Sb et Mo dissous se trouvent dans cette région pendant les deux saisons et Cd que pendant la DS. Dans ce domaine, le partitionnement à l'état solide (SSP) montre des changements de fractionnement importants lors de la WS, impliquant que les éléments traces peuvent être facilement libérés dans l'eau interstitielle lorsque les conditions de réduction sont établies, les éléments les plus instables sont Mo, U, Sb, Pb et Cd. Cette zone affiche le souci environnemental plus important, parce que, encore l'influence de la WS, on trouve l'influence anthropique associé à la Mine de Huanuni, probablement en apportant Sb (et Mo) dissous (et comme le montre autre étude, Mo représente une compétition pour le Cu en induisant des carences alimentaires pour animaux de ferme). Nous soulignons que c'est dans ce domaine où la plupart de la flore et faune vive et de la pêche est généralement pratiqué. On recommande de déterminer le comportement des éléments traces dans la WC, spécialement au cours de la WS et La Niña événements. En ce qui concerne l'influent de l'exploitation minière et le climat sur le dépôt des sédiments dans l'Altiplano, il a été déterminé que au cours du dernier siècle, l'exploitation et la production de Sn a influencé le dépôt de Sb-Ag-Pb dans les sédiments du lac Uru Uru. En outre, événements ENSO pourraient jouer un rôle important dans la production de minéraux authigènes pendant la diagenèse précoce. Enfin, nous proposons que le dépôt des éléments traces est influencé principalement par trois sources: la géologie locale, la formation des minéraux authigènes sous l'influence probable des événements froids ENSO (La Niña) et les gangues et minerais d'origine minérogénétiques.

L'entretien des voies navigables en France nécessité des opérations régulières de curage des sédiments. Ces boues de dragage ont parfois été déposées sur des sols nus, sans précaution préalable ou traitement. Cela peut poser des problèmes environnementaux (présence de polluants métalliques), surtout lorsque les sédiments proviennent de zones industrielles et minières comme c'est le cas pour le site étudié (Nord-Pas-de-Calais). L'un des risques principaux est le transfert d'éléments traces métalliques (ETM) dans le sol sous-jacent jusqu'à la nappe. L'objectif de cette étude est d'identifier et de caractériser les porteurs minéralogiques des ETM (limités ici à Zn et Pb) en combinant diverses techniques analytiques chimiques et spectroscopiques. Dans ce travail, nous montrons que dans le cas d'un matériau complexe comme l'anthroposol étudie, il est important d'avoir une approche méthodologique multi-échelle. Pour mener à bien cette étude, nous avons donc réalisé des analyses sur le terrain, des mesures en laboratoire (extractions chimiques séquentielles, DRX, MEB, MSE) et des expériences sur synchrotron (principalement XRF et XANES). Nous avons pu identifier différentes phases porteuses de Zn et Pb, mais nous n'avons pas observe d'évolution nette en fonction de la profondeur. Nous donnons pour finir, diverses pistes pour continuer ce travail.

La forme des rivières alluviales est contrôlée par l'interaction des sédiments composant le lit avec l'écoulement : l'écoulement, déterminé par la forme du lit, entraîne les sédiments et modifie la forme du lit. Les sédiments sont transportés lorsqu'ils sont soumis à une contrainte supérieure au seuil de mise en mouvement. Dans la première partie de ce manuscrit, nous discutons le cas des rivières qui ne transportent pas de sédiments. Pour ces rivières, la contrainte sur les berges est égale au seuil de mise en mouvement. Cette condition détermine entièrement la géométrie de la rivière, c'est-à-dire la forme de sa section mais aussi sa pente. L'intégration de l'écoulement sur ce profil permet d'obtenir des équations de régime déterminant la variation de la largeur et de la pente avec le débit d'eau. Ces équations de régime en régime laminaire prédisent correctement la forme de micro-rivières de laboratoires. L'application aux données de terrain est moins satisfaisante : l'exposant des lois d'échelle est bien prédit mais le rapport d'aspect des rivières naturelles est souvent supérieur à sa valeur théorique. Dans la seconde partie du manuscrit, nous montrons que cet effet s'explique par le fait que la forme des rivières dépend également de la quantité de sédiments charriés. Au cours de son transport par l'écoulement, chaque grain voit sa trajectoire subir de petites déviations dans le sens transverse à l'écoulement, ce qui crée une dispersion transverse équivalente à un phénomène de diffusion. Cette diffusion des grains permet d'expliquer la stabilité d'une rivière pour laquelle la contrainte sur les berges est supérieure au seuil de mise en mouvement. Nous déterminons ainsi de nouvelles équations de régime valables pour le cas des rivières avec transport de sédiments. Nous montrons en particulier qu'augmenter le transport de sédiments augmente le rapport d'aspect et la pente de la rivière. Ce comportement est vérifié qualitativement à la fois expérimentalement et dans la nature. Au-delà d'un rapport d'aspect critique, on observe expérimentalement que le chenal se déstabilise en plusieurs chenaux, conduisant à la formation d'une rivière en tresse.