Dans des contextes semi-arides et fortement anthropisés la caractérisation et la quantification des transferts de polluants dans les eaux de surface et vers la mer est importante à appréhender pour aider à une meilleure gestion de la ressource en eau dans un contexte de changements environnementaux. Sur le Nord-africain notamment la difficulté d’obtenir des données en quantité et qualité suffisante est difficile. La présente étude s’intéresse aux mécanismes de transfert des nitrates et des sédiments à l’échelle du bassin versant de la Tafna (7200 km2) et des plus grands fleuves de l'Afrique du Nord par une approche couplant les mesures in situ et le modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool). La partie in situ a permis de quantifier la quantité de nitrates apportée par les différents exutoires des sous bassins de la Tafna. Elle a aussi mis en évidence la contribution du bassin versant à l’eutrophisation de la Méditerranée tout en mesurant les quantités de nitrates acheminées vers les eaux marines. Les résultats ont mis en évidence les facteurs qui influent sur les flux et les concentrations en nitrates et notamment l’occupation du sol et les barrages ont une grande influence sur les flux de nitrates dans la Tafna. Les stations d’étude ont été classées selon un gradient d’eutrophisation, les stations amont présentant de fortes concentrations en nitrates, elles s’opposent aux stations avals. Les résultats de simulation sur la période 2003 à 2011 ont montré qu’une grande partie de l'eau de surface de la Tafna provient du ruissellement de surface (59%) et du flux latéral (40%), alors que la contribution des eaux souterraines est insignifiante (1%). La Tafna transfère une quantité annuelle moyenne de 2942 t.an-1 de sédiment vers la mer entre 2003 et 2011. SWAT a montré aussi que les cinq barrages de la Tafna stockent une grande quantité de sédiments, plus de 27 000 t.an-1 (90% des sédiments transportés par la Tafna). Le modèle reproduit aussi le flux de nitrates dans les stations de mesure entre 2003 et 2011. La Tafna transporte une quantité moyenne annuelle de 37 à 86 tN.an-1 jusqu'à la Méditerranée. Sur la base de ces résultats, l’approche de modélisation a pemis d’effectuer un changement d’échelle vers les grands bassins du nord-africain. La simulation a montré que les barrages de la Tafna stockent une quantité importante de nitrates [80 à 486 tN.an- 1], qui représente en moyenne 62% de la quantité totale de nitrates transportée annuellement par le fleuve. L’application du modèle sur les plus grands fleuves d'Afrique du Nord, Moulouya (55 860 km2), Tafna (7 200 km2), Chélif (44 694 km2) Oued el Kbir-Rhumel (8824 km2) et Medjerda (23 213 km2) a permis de représenter les flux d'eau, de sédiments et de nitrate. Les fleuves de cette région transportent une quantité de sédiments de 706 .103tan-1 vers la Mer ou le fleuve Oued Kbir-Rhumel qui contribue à la plus grande quantité (55%).Le flux de nitrates transportés vers la mer est de 5330 tN.an-1, le fleuve Moulouya qui contribue à la plus grande quantité (32%). Les barrages de cette région stockent une grande quantité de sédiments (98%) et de nitrates (39%) transportés par les fleuves vers la Méditerranée. / In semi-arid and highly anthropized area characterization and quantification of pollutant transfers in surface waters and to the sea is important to understand and to help better management of water resources, especially in North Africa, where the of obtaining data in quantity and sufficient quality is difficult. This study investigates mechanisms transfer of nitrate and sediment in the Tafna watershed (7200 km2) and at the biggest coastal rivers in North Africa with an approach, coupling in situ measurements and SWAT model (Soil and Water Assessment Tool). The in situ part made it possible to quantify the quantity of nitrates exported by the different Tafna sub-basins. It also highlighted the contribution of the watershed to eutrophication of the Mediterranean Sea by measuring the quantities of nitrates transported to marine waters. The quantities transferred are important in the high water season while they decrease in the rivers during the dry season. The results highlighted the factors that influence the nitrates flux and nitrate concentrations; the land use has a great influence on the nitrate flux in the Tafna. The study stations were classified according to the eutrophication gradient. The upstream stations with high nitrates concentration, oppose downstream stations. Modeling results showed that Tafna's surface water comes from surface runoff (59%) and lateral flow (40%), while the contribution from groundwater was insignificant (1%). Tafna has transferred an average annual amount of 2942 t.yr-1 of sediment to the sea. SWAT has also shown that dams store a large amount of sediment, over 27 000 t.yr-1 (90% of the sediments transported by Tafna). The model also reproduced the nitrates flux at the gauging stations between 2003 and 2011. The Tafna carries 37-86 tN.yr-1 to the Mediterranean Sea and Tafna dams store a large quantity of nitrates [80 and 486 tN.yr-1], which represents an average 62% of the total amount of nitrates transported annually by the river. The application of the model at largest scale in North Africa, Moulouya (55,860 km2), Tafna (7,200 km2), Chelif (44,694 km2) Oued el Kbir-Rhumel (8,824 km2) and Medjerda (23,213 km2) showed that the rivers of this region carry 706.103t.yr-1 of sediments to the Sea. The Oued Kbir-Rhumel River contributes with the greatest quantity (55%), whereas the nitrate flows transported towards the sea is 5330 tN.yr-1 and the Medjerda River contributes with the largest amount (32%). Dams in this region store a large amount of sediment (98%) and nitrate (39%) transported by rivers to the Mediterranean.

Le Golfe de Gabès, situé dans le bassin méditerranéen oriental, réunit plusieurs traits distinctifs lui conférant une forte sensibilité vis à vis des contaminations d'origine anthropique. D'une part, l'influence des courants Atlantiques y très limitée, d'autre part, son orientation et sa morphologie caractérisée par une faible profondeur sur une grande étendue ne permettent qu'un faible taux de renouvellement des eaux. Dans cet environnement vulnérable, plus de 200 millions de tonnes de phosphogypse (sous- produit résultant de la production d'acide phosphorique) ont été rejetés dans l'environnement marin depuis près d'un demi-siècle en ayant comme conséquence une dégradation conséquente de l'écosystème benthique en particulier des herbiers de posidonies. La caractérisation du phosphogypse conduit à identifier les différentes modalités des transferts au sein des milieux marins des métaux contenus initialement dans le phosphate. Sa charge en métaux toxiques est essentiellement associée à la matière organique qui s'agrège lors de son transfert dans l'émissaire industriel pour former une mousse se déplaçant à la surface de la mer. Cette mousse présente une structure complexe constituée de matière organique amphiphile jouant le rôle de tensioactif au contact de l'eau de mer et de gypse synthétique qui en constitue le squelette auxquels s'ajoutent halite, sphalérite et francolite. Elle se dégrade en fonction de l'état d'agitation du milieu marin via la dissolution du gypse relarguant ainsi sa charge polluante selon l'amplitude de la houle. Une fraction limitée des métaux passe directement en solution transportés par l'action des courants côtiers. Enfin, des grains de phosphate brut sont transportés soit par roulement-saltation soit en suspension. Ils s'accumulent surtout au niveau de la plage de Chatt Essalam du fait des impacts hydrodynamiques des structures portuaires du site. Les métaux toxiques affectent également les sédiments de surface et les organismes benthiques. En particulier, les mattes posidonies jouent le rôle d'archivage de la contamination permettant ainsi de retracer l'évolution de la contamination métallique des eaux marines depuis le début du développement industriel de la côte en 1972. Enfin, une première évaluation des pertes financières associées aux services écosystémiques fournis par les herbiers de Posidonies à l'activité économique de la pêche côtière, conduit à mettre en perspective le coût d'une partie des externalités négatives associées à la contamination chronique à l'échelle de la partie centrale du Golfe de Gabès. / The Gulf of Gabes, located in the oriental Mediterranean basin, has many particular properties making it very sensitive to anthropogenic contaminations. One of the distinguishing features of Gabes Gulf is low water flush-activity related mainly to its orientation and morphology marked by its largely-extended shallow plateau as well as to the limited influence of Atlantic water currents. For more than 50 years, than 200 million tons of phosphogypsum (by-product of phosphoric acid production) have been continuously dumped in this vulnerable environment leading to an accentuated degradation of the local benthic habitat represented mainly by the seagrass meadows of Posidonia oceanica. Within this context, knowing the characterization of phosphogypsum will certainly help to identify the different transfer modalities of the metals (composing the initial phosphate ore) within the marine environment. The pollutants load of phosphogypsum is mainly associated to the organic matter which aggregates during the transfer process via the evacuation channel leading to the formation of floating foam. These latter foams are passively transported by winds and local currents to distant areas and are found to be rich in organic matter with an amphipathic character that makes them act as a surfactant in contact with seawater. The skeleton of phosphogypsum foam was also found to be composed of synthetic gypsum as well as halite, sphalerite and francolite. The degradation of the phosphogypsum foam is accentuated by the degree of agitation/hydrodynamics of the marine environment through the dissolution of gypsum, leading to the release of its polluting components following the swell amplitude. It is worth noting that a limited metal fraction passes directly into solution. These latter metals are hence transported by the coastal currents. As for the phosphate grains, they are trained towards the south either by rolling-saltation or in suspension, and end by accumulating mainly in Chat Essalam beach due to the hydrodynamics effects exerted by the ports structures leading to modify the coastline. In addition, the toxic metals affect also the surface sediments as well as the benthic organisms and hence these latter can inform about the health status and the contamination history of the local marine environment. Within this context, the mats of Posidonia oceanica meadows can be used as an archiving tool of the contamination history in the Gulf of Gabes and allow hence retracing the evolution of metallic contamination of sea waters since the set-up of the coastal industrial complex in Gabes city (i.e. 1972). Finally, a first assessment of the financial losses linked to the ecosystemic services provided by Posidonia oceanica seagrass beds to coastal fisheries activity was conducted allowing to evaluate the cost of a part of the negative consequences linked to the industrial chronic pollution at the central part of Gabes Gulf.

Ces travaux constituent la première étude fondamentale traitant de l'influence des forçages hydrodynamiques sur l'évolution morpho-sédimentaire des plages sableuses du littoral de la mer d'Iroise. Ils s'insèrent dans la démarche de l'Observatoire du Domaine Côtier (Observatoire des Sciences de l'Univers) qui supporte l'observation de la variabilité biologique, chimique et physique de ce littoral à long terme. Dans cette perspective, quatre sites ont été choisis pour illustrer la pluralité des morphologies et des conditions hydrodynamiques dans ce contexte macrotidal soumis à l'agitation des houles océaniques. La diversité des échelles spatiales et temporelles impliquées dans le fonctionnement hydro-sédimentaire des plages a nécessité la mise en œuvre de méthodes d'observation in situ adaptées : un suivi topométrique des plages à l'échelle pluri-annuelle et des campagnes ponctuelles de mesures hydrodynamiques et morphologiques à haute fréquence.<br /><br />Par l'analyse statistique et volumétrique des séries de profils topographiques, la variabilité morpho-sédimentaire en zone intertidale et la dynamique des corps et figures sableuses est décrite à l'échelle événementielle, saisonnière et pluri-annuelle. Les résultats mettent en évidence une tendance actuelle au recul/progradation du profil sur les plages dominées par une dynamique transversale et à l'inverse, une relative stabilité sur les plages dominées par une dynamique longitudinale. Toutefois, l'observation d'une fermeture du profil autour de - 3 m C.M. associée à des bilans sédimentaires non nuls (neuf mois de suivi sur un site test) soulèvent la question de l'influence du transport longitudinal dans la disponibilité sédimentaire de certaines plages à l'échelle pluri-annuelle.<br /><br />A une échelle de temps plus courte (du cycle de marée à la semaine), les campagnes de mesures intensives ont permis de caractériser l'agitation en zone intertidale lors de conditions d'énergie variables et d'analyser l'influence de la marée sur la variabilité spatio-temporelle des processus hydrodynamiques. En effet, la transformation des vagues dans les petits fonds est à la fois impliquée dans la spatialisation des courants induits par les vagues (et donc dans l'orientation du transport sédimentaire) et dans la formation des corps sédimentaires (barres de swash, systèmes de croissants de plage) par la génération d'ondes secondaires.

Les séries de l'anticlinal des Oulad Khalouk sont des séries détritiques continentales de l'Ordovicien supérieur. déposées en bordure de la plate-forme saharienne dans la zone de pro-delta circalittorale. L'orogenèse hercynienne, gouvernée par une tectonique de blocs de socle, débute par une phase de plissement synschisteux de direction axiale NE-SW, post-Namurien et ante-Westphalien moyen. Une deuxième phase cassante reprend les structures par des décrochements et des virgations : elle doit être rattachée à la mise en place du granite des Zaër (298 ma). Le métamorphisme régional culmine au droit du granite, à la limite épizone-mésozone; la mise en place du diapir granitique s'accompagne d'un métamorphisme de contact ainsi que d'une schistosité de strain-slip S2 reprenant la schistosité de flux SO-1. Les minéralisations en pechblende sont datées de l'Hercynien et correspondrait à un gisement primaire de type " contact ", hydrothermal de basse-température. La radioactivité de surface est due au piégeage de l'uranium sur des phases d' oxy*hydroxydes de fer.

Des expériences ont été réalisées à partir d'un métagrauwacke et d'une métapélite saturée en silicate d'alumine dans un vaste domaine P-T (P=0,5-0,8 GPa; T=750-1000°C) pour étudier les relations de phases dans les roches subduites et les variations de composition des minéraux. Pour le grauwacke , l'assemblage minéralogique phg + cpx + grt + qtz/ coes est stable à P>2,3 GPa, alors que l'assemblage bt +pl + grt + qtz est stable entre 0,5 et 2,0 GPa. pour T<900°C,contrairement aux roches basiques , la phg demeure stable à UHP. La présence d'un minéral hydraté lors du pic de P et durand l'exhumation a d'importantes conséquences sur la fusion partielle et la rétromorphose.Contrairement aux roches basiques , l'apport de fluide pas indispensable à la rétromorphose et à la fusion des roches acides subduites puis exhumées. L'examen des principales unités métamorphiques de ultra-haute pression confirme le rôle de la fusion partielle lors de l'exhumation dans la plupart d'entre elles.

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)