Les propriétés hydrodynamiques des sols, représentées par les fonctions de rétention en eau et de conductivité hydraulique, régissent les écoulements d'eau et de solutés de puis la surface jusqu'aux nappes souterraines. La caractérisation et la compréhension de cette dynamique des fluides ont énormément d’importance pour la détermination des ressources en eau disponibles, la pollution des sols et des eaux souterraines. Le radar de sol est une méthode d'imagerie géophysique particulièrement adaptée pour détecter les contrastes de paramètres électromagnétiques tels que ceux engendrés par des gradients de teneur en eau. La problématique à laquelle répond cette thèse est de savoir si le suivi temporel par radar de sol de phénomènes de dynamique des fluides en proche surface, tels que des infiltrations, est suffisant pour retrouver les paramètres hydrodynamiques du sol considéré, de manière plus efficace que les procédés d'estimation classiques.Nous avons développé des algorithmes couplant des modèles hydrodynamique et électromagnétique, afin d'obtenir les propriétés hydrodynamiques de sols, en inversant les temps aller-retour des ondes électromagnétiques correspondant à des réflexions sur des contrastes de permittivité forts comme ceux rencontrés sur des fronts ou bulbes d'infiltration.Nous avons développé le suivi radar de deux techniques d'infiltration, en simple anneau et en forage de faible profondeur. La première permet une modélisation unidimensionnelle alors que la seconde utilise une modélisation 2D-axisymétrique. Dans chaque cas, nos méthodes originales ont été testées numériquement, puis appliquées à différentes expériences de terrain, principalement sur des sols sableux. Les paramètres des fonctions de rétention en eau et de conductivité hydraulique retrouvés sont en accord avec ceux obtenus classiquement par des méthodes telles que des mesures sur échantillons en colonne suspendue et in situ par infiltromètrie à disque. Au-delà de l'aspect quantitatif des processus hydrodynamiques, l'interaction de ces derniers avec les champs électromagnétiques conduit à l'observation de phénomènes atypiques, comme des guides d'ondes créés par des bulbes d'infiltration.De plus, nous avons montré que le radar de sol est assez précis pour détecter des différences dans les profils de teneur en eau selon le cycle drainage-imbibition, causées par l'hystérèse sur les fonctions de rétention en eau et de conductivité hydraulique. Les paramètres de ces fonctions ont été obtenus par inversion de données radar lors de suivis de battements de nappe au sein de réservoirs, de l'ordre du mètre cube, en laboratoire. / Soil hydraulic properties, represented by the soil water retention and hydraulic conductivity functions, dictate water flow in the vadose zone, from surface to aquifers. Understanding the water flow dynamic has important implications for estimating available water resources and flood forecasting. It is also crucial in evaluating the dynamicsof chemical pollutants in soil and in assessing the risks of groundwater pollution. Ground Penetrating Radar is a geophysical method particularly suited to measure contrasts of electromagnetic parameters such as those created by water content variations in soils.In this manuscript, we focus on Ground Penetrating Radar temporal monitoring of fluid flows in the near surface, such as infiltration in soil. We were initially curious to know to know if Ground-Penetrating Radar could be used to estimate soil hydraulic properties, more efficiently than classical soil characterization methods such as disk infiltrometer and water hanging column. We developed coupled hydrodynamic and electromagnetic numerical modeling to invert the two way travel times associated with reflections corresponding to strong dielectric permittivity contrasts, such as these involved on infiltration bulbs or fronts orwater tables.We designed two types of Ground Penetrating Radar infiltration monitoring techniques: one using a single ring infiltrometer and the other using shallow boreholes. The first type of infiltration experiment relied on uni-dimensional numerical modeling whereas the second one used a 2D-axi-symmetrical hypothesis. In each of these cases, our original methods have been numerically tested and applied to sandy soils. Beyond quantitative soil hydraulic parameter estimations, electromagnetic wave interactions with hydrodynamicprocesses lead to peculiar phenomena such as waveguide creation by infiltration bulbs.In addition, we showed that Ground Penetrating Radar monitoring was accurate enough to detect the hysteresis of the water retention function during successive drainage and wetting cycles, in a laboratory experiment using a sub-metric tank filled with Fontainebleau sand. The parameters characterizing the hysteresis of this function have been quantified through two-way travel time inversions of the bottom tank reflection during one-step and multi-step hydraulic head experiments.

Le concept de durabilité des sols et de leurs propriétés se développe avec la pression anthropique croissante. Les minéraux argileux (type, quantité, propriétés) sont des composants essentiels de la durabilité des fonctions des sols. La compréhension des processus de leur formation, leurs transformations et leur réactivité est une des clés de la gestion des sols. Mes travaux de recherche s'insèrent dans ce cadre général avec pour finalité une meilleure connaissance des minéraux argileux des sols et de leur rôle sur les propriétés physico-chimiques des sols. Les travaux présentés concernent le développement progressif d'une méthode d'identification précise des minéraux argileux et de quantification de la proportion relative de chacun des phyllosilicates. La méthodologie employée dérive de celle développée pour l'étude des minéraux argileux dans les séries diagénétiques. Celle-ci a été adaptée avec des fractionnements infra-micrométriques compte tenu des spécificités des minéraux argileux des sols (petite taille, chimie hétérogène, faible cristallinité). La modélisation directe des diffractogrammes de rayons X permet une description complète des diffractogrammes et l'identification des phases les moins bien cristallisées qui sont abondantes dans les sols et jusqu'à présent difficiles à décrire. Le projet de recherche se focalise sur 1) l'application de la méthodologie sur des chronoséquences de sols pour préciser les processus pédogénétiques et démêler les modifications 'naturelles' de celles liés à l'action de l'homme (pratiques culturales, utilisation du sol) ; 2) la connaissance des minéraux intergrades alumineux, minéraux clés de la compréhension des processus d'altération dans les sols acides et 3) le couplage de la pétrographie quantitative et de la minéralogie quantitative pour étudier des processus d'altération en relation avec le développement de la porosité associée qui sont tous les deux des facteurs importants de la 'fertilité' des sols.

Les sols des régions de montagne sont confrontés à de fortes modifications climatiques et d'usages qui les rendent particulièrement sensibles à trois menaces : l'érosion, la perte de matière organique et de biodiversité. Cette thèse aborde la question de la qualité des sols sous l'angle de processus clés (décomposition et agrégation de la matière organique) au sein de différents compartiments de la partie superficielle du sol vivant (épipédon). Ces processus clés interviennent dans l'intensité des services rendus par les sols comme la séquestration de carbone, la fertilité des sols et le maintien de leur activité biologique. Parmi les indicateurs utilisés dans l'évaluation de la qualité des sols, nous avons choisi de tester des indicateurs simples et composites reliés aux processus clés de deux types d'écosystèmes subissant de fortes contraintes environnementales. Deux sites d'étude situés dans les massifs du Dévoluy (Isère) et des Maures (Var) ont été utilisés. Tous deux sont marqués par un fort gradient de végétation induit par des contraintes naturelles (sols à permafrost pour le site du Dévoluy) ou anthropiques (incendies pour le site des Maures). Dans ce travail, nous formulons trois hypothèses : (i) il existe au niveau des sols une signature originale des modifications environnementales influençant le fonctionnement des écosystèmes forestiers ; (ii) cette signature est liée à la qualité des sols et recouvre une partie biologique largement sous estimée ; (iii) la réflectance du sol résume cette signature et permet sa caractérisation dans des conditions contrastées. Les résultats de la thèse démontrent que les contraintes liées au pédoclimat et aux incendies induisent de fortes modifications des variables décrivant les processus de décomposition et d'agrégation dans les sols. Le compartiment biologique du sol (microflore ou microfaune) est particulièrement affecté par ces contraintes, révélant des modifications dans les processus liés aux chaînes trophiques des sols (voies préférentielles de décomposition et d'agrégation biologique, nitrification et dénitrification potentielles). La spectroscopie proche infrarouge se révèle être un outil pertinent pour rendre compte des modifications de qualité physico-chimiques mais aussi biologiques des sols soumis à de fortes contraintes.