La Zone Critique de la Terre désigne la fine pellicule recouvrant sa surface, à l’interface du cycle de l’eau, de lithosphère et de la biosphère. Cette couche est produite à sa base par altération chimique et détruite à son sommet par érosion mécanique. Parce que le lithium et ses isotopes ont la particularité de se partager entre la phase dissoute et la phase solide au cours des réactions d’interactions eaux-roches, nous explorons, dans cette thèse, le potentiel des isotopes du lithium dissous dans les rivières comme traceurs des processus d’altération chimique des continents. Nous nous sommes focalisés, dans un premier temps, sur le Bassin Congolais. Cette étude met en évidence le caractère équivoque de la réponse de la composition isotopique du Li (δ7Li) dissous des rivières aux topographies plates (et aux intensités d’altération élevées). Deux valeurs extrêmes de δ7Li dissous sont, en effet, produites dans le bassin du Congo, qui tracent deux styles d’altération continentale distincts, dans lesquels les processus d’altération chimique sont différents. D’autre part, nous proposons une nouvelle estimation du flux moyen de Li et de sa composition isotopique moyenne exportés à l’océan par les rivières aujourd’hui (5,5×1010 g.an−1 et 19±2‰, respectivement). Nous montrons que le δ7Li dissous dans les grands fleuves est contrôlé, au premier ordre, par la réincorporation du Li dans les minéraux secondaires (dans les sols et les plaines d’inondation) et, d’une manière équivoque, de l’intensité d’altération. En outre, l’étude des δ7Li dissous dans les rivières drainant les îles volcaniques (Islande, Java, Martinique, Sao Miguel et Réunion) montre que l’hydrothermalisme continental, générant des eaux très concentrées en Li avec une valeur basse de δ7Li (car très peu fractionnée par rapport à la roche mère basaltique), influence le δ7Li dissous des rivières des îles volcaniques et peut avoir un impact significatif sur le flux de Li (et son δ7Li) transféré(s) à l’océan à l’échelle globale. Enfin, nous proposons une interprétation de l’augmentation de l’ordre de 9‰ qu’a connue la signature isotopique du Li de l’eau de mer au cours du Cénozoïque à l’aide d’un modèle de boîtes simple de l’océan et au regard de nos résultats. Il émane de ce travail de thèse que les isotopes du Li dissous dans les rivières prouvent là encore leur capacité à être de bons traceurs des régimes d’altération des roches silicatées continentales (et ce, même en contexte anthropisé, comme le montre notre étude du bassin de l’Orgeval, en Seine-et-Marne). Le Li et ses isotopes constituent donc des traceurs prometteurs de la Zone Critique de la Terre et des paléo-processus d’altération chimique ainsi que de l’évolution géodynamique des continents voire des grands mouvements verticaux affectant la lithosphère continentale / The Critical Zone of the Earth is the layer covering its surface, at the interface between the water cycle, the lithosphere and the biosphere. This layer is produced at its base by chemical weathering and destroyed at its top by mechanical erosion. We explore the potential of lithium isotopes dissolved in rivers as tracers of continental chemical weathering processes as lithium and its isotopes are highly fractionated between the dissolved and solid phases during water-rock interaction processes. First, we are focused on the Congo Bassin. This study demonstrates the equivocal response of the isotopic composition of the riverine dissolved Li isotope compositions (δ7Li) to flat topography (and high weathering intensities). Two extreme values of dissolved δ7Li are produced in the Congo Basin, which trace two distinct continental weathering styles in which chemical weathering processes are different. On the other hand, we refined the mean flux of Li and its average isotopic signature exported to the ocean by rivers today (5.5×1010 g. an-1 et 19±2‰, respectively). We show that dissolved δ7Li in large rivers is controlled, at first-order, by the re-incorporation of Li into secondary weathering minerals (in soils and floodplains) and in, an equivocal way, of the weathering intensity. Moreover, the study of dissolved δ7Li in rivers draining volcanic islands (Iceland, Java, Martinique, Sao Miguel and Reunion) shows that continental hydrothermal activity, producing waters with high Li concentration with low value of δ7Li (as low fractionated towards the basaltic bedrock), influences the dissolved δ7Li in rivers of volcanic islands and can have an impact on the Li flux (and its δ7Li) transferred to the ocean on a global scale. Finally, by using a simple box model of the ocean and our results, we suggest an interpretation of the 9‰ increase of seawater δ7Li during the Cenozoic. This thesis highlights that riverine dissolved Li isotopes confirm once again their capacity to be powerful tracers of the weathering regimes of continental silicate rocks (even in anthropized context, as showed by our study of the Orgeval catchment, in Seine-et-Marne). Li and its isotopes are thus promising tracers of the Critical Zone of the Earth and the chemical weathering paleo-processes as well as the long-term geodynamic evolution of the continents or even the large vertical movements affecting the continental lithosphere

La zone de Vieux-Habitants rassemble les indices permettant de supposer la présence d’un système hydrothermal de haute température. Les données géophysiques acquises pour la prospection de ce système ne suffisent pas à sa compréhension qui nécessite l’analyse d’analogues. Pour proposer un modèle de système géothermique de cette zone, une analyse multiscalaire de la déformation fragile et une caractérisation des propriétés pétrophysiques des formations volcaniques ont été ménées sur trois paléo systèmes. L’analyse des populations de fractures montre que leur organisation n’est pas régie par une seule loi mathématique. Les faciès volcano-sédimentaires sont peu déformés ou de manière très localisée contrairement aux laves dont les densités de fracturation sont fortes. L’analyse de la distribution des faciès hydrothermalisés par rapport à ces structures indique qu’à l’échelle kilométrique, certaines intersections de failles contrôlent le drainage des fluides et localisent les zones d’altération hydrothermale prononcée. Les faciès sont divisés en grands groupes en fonction de leur nature et de leur degré d’altération. Ils montrent une grande variabilité des propriétés pétrophysiques. A l’état sain, les laves d’une part et les faciès pyroclastiques et de coulées de débris d’autre part, constituent deux groupes bien distincts. L’altération hydrothermale induit une restructuration totale du squelette matriciel et du réseau poreux. Elle permet une forte atténuation du signal magnétique et le développement d’un groupe ayant des propriétés réservoirs intermédiaires en diminuant les propriétés réservoirs des dépôts volcano-sédimentaires et en améliorant celles des laves. Le modèle de réservoir ainsi disponible conjugue des éléments structuraux et des hétérogénéités lithologiques permettant le transfert rapide des fluides, alors que les propriétés matricielles d’origines primaire et secondaire vont plutôt contrôler les propriétés de stockage de fluide et de chaleur. / The Vieux-Habitants area gathers indicators allowing to suppose a high-temperature hydrothermal system. The interpretation of geophysical data acquired for the exploration of this system requires the analysis of analogues. Several hydrothermal paleo-systems were studied in order to propose a conceptual model of a geothermal system for the Vieux-Habitants area. Studies of these analogues are based on a multi-scale study of the brittle deformation and a petrophysical characterization of the different volcanic rocks. The organization of fractures indicates the occurrence of a characteristic scale for each level of observation. Volcano-sedimentary units are far less deformed compared to highly fractured lavas. The brittle deformation in volcano-sedimentary deposits is highly localized in fractured corridors. Some fault intersections control major fluid flow at the kilometer scale. Moreover, the most hydrothermalized rocks are localized in the vicinity of these intersections. Volcanic rocks are divided according to their mechanism of formation (lava, debris flow…) and their degree of alteration. They exhibit strong heterogeneities of petrophysical properties. Fresh rocks are separated in two distinct groups, on one side lavas and on the other side debris flows and pyroclastic deposits. Hydrothermal alteration produces mineralogical replacements involving a complete reorganization of both the matrix skeleton and the pore network. It is marked by a removal of magnetic signal, an increase of porosity and permeability in lavas and a decrease of these properties in debris flows and pyroclastic deposits. Therefore, hydrothermalized rocks form a group with intermediate reservoir properties between the two groups of fresh rocks. The reservoir model combines both structural components and lithological heterogeneities that allow an efficient fluid transfer, whereas the matrix properties of primary and secondary origins will rather control the fluid and heat storage properties.

Les dômes métamorphiques portent les marques d'un hydrothermalisme intense concomitant de leur exhumation de long de grandes zones de cisaillement crustales. Sur l'exemple du détachement de l'île de Tinos (Cyclades, Grèce), nous proposons une approche qui combine géologie structurale et techniques analytiques de pointe, pour contraindre l'origine et les modalités de circulation des fluides responsables du métasomatisme. Une succession continue de veines métamorphiques, ouvertes durant l'évolution de la déformation depuis le domaine ductile jusqu'au domaine cassant, est identifiée dans le mur du détachement. Chaque stade d'ouverture occasionne la précipitation de quartz et de calcite. Le fractionnement isotopique de l'oxygène des couples quartz-calcite précipités à la transition fragile-ductile, mesuré à la sonde ionique, passe de 2 à 5 ‰ dans une frange de 50 m vers la faille, soit une chute de température de ~150 °C. Le ?18O de l'eau en équilibre avec ces couples passe de 15 à 0 ‰ dans cette même frange. Seules des circulations convectives de fluides surfaciques peuvent expliquer ces variations thermiques et isotopiques. Un profil isotopique réalisé dans l'ombre de pression d'une pyrite montre une chute brutale du ?18O de 3 ‰, entre deux maxima. Les inclusions fluides piégées dans des ombres de pression similaires, synchrones du cycle isotopique, montrent une forte fluctuation des isochores de stabilité. Les données isotopiques et microthermométriques, qui suggèrent une arrivée cyclique de fluides superficiels conjointe à des variations de la pression des fluides, concordent point à point avec les modèles de pompage sismique en domaine ductile initiés par la zone sismogénique sus-jacente. Enfin, une comparaison des spectres infrarouge d'inclusions fluides piégées en faciès schiste vert et schiste bleu permet d'évaluer les propriétés mouillantes des fluides métamorphiques. A 400 °C, le pic d'absorption des liaisons OH des fluides piégés dans les inclusions schiste bleu est situé à 3475 cm-1, tandis que celui des fluides schiste vert est à 3585 cm-1. Plus fort est le nombre d'onde, plus l'agencement des molécules d'eau est désordonné, occasionnant des tensions d'interface fluide-grain faibles. Les fluides du faciès schiste vert ont donc une capacité à connecter la faible porosité des roches métamorphiques très supérieure à celle des fluides schiste bleu, et peuvent infiltrer le mur du détachement en cours d'exhumation, auparavant en système clos. Ces interprétations permettent de proposer un modèle global de circulation à tous les étages d'un détachement, commandé –dans l'ordre de profondeur croissante- par la convection thermique, les cycles sismiques et la migration diffuse. Ce modèle synthétique résout le paradoxe qui consiste à introduire des fluides surfaciques -à pression hydrostatique- dans une croûte inférieure ductile à pression de pores lithostatique.

Cette thèse concerne l'étude du message magnétique de la lithosphère océanique. Nous nous sommes, dans un premier temps, intéressés à l'évolution du signal magnétique à travers une section de croûte océanique complète et continue des basaltes jusqu'aux gabbros. Le but était de comprendre comment les propriétés magnétiques des roches peuvent nous renseigner sur les conditions d'altération dans la croûte océanique. Nous avons donc établi un jeu de données magnétiques (température de Curie, paramètres d'hystérésis, mesures magnétiques basse température) sur l'ensemble de la section de croûte océanique forée au site IODP 1256D, dans l'océan Pacifique. Ces données sont confrontées aux températures d'altération, établies par thermo barométrie et mettent en évidence une étroite relation entre l'altération des phases magnétiques et les températures d'altération. De plus, des analyses semi-quantitatives et des observations microscopiques (optique, MEB et MET) mettent en évidence un changement de structure cristalline, associée à une perte de titane, permettant la formation d'une phase secondaire, l'hydroschorlomite, dans un intervalle de forte altération des phases magnétiques (entre 670 et 1028 mbsf (meters below sea floor)). Dans un second temps, l'acquisition de profils d'anomalies magnétiques marines de surface et d'un profil d'anomalies de fond " deep tow " à travers le superchron du Crétacé (entre 83 et 120 Ma) nous a permis de tester la stabilité de polarité du champ géomagnétique durant cette période. Nous mettons en évidence la présence d'anomalies magnétiques : des anomalies de courtes longueurs d'onde ou " tiny-wiggles " à travers l'ensemble du superchron et des anomalies magnétiques de plus grande longueur d'onde, assimilables à de courts intervalles de polarité inverse. Nos mesures montrent que le comportement du champ magnétique durant le superchron n'est pas différent des périodes qui le précèdent (chrons M0-M1-M2) et le suivent (chrons 33n et 33r). La définition de superchron doit être remise en question.

Le problème d'attaque des bétons par sulfates demeure d'actualité dans le domaine du stockage des déchets radioactifs, parce que certains déchets contiennent des sulfates. Le présent rapport contribue à l'étude des mécanismes de dégradation des enrobés de déchets radioactifs par sulfate. Les systèmes expansifs CaO-Al2O3-SO3-H2O sans et avec alcalins ont été étudiés. Dans le système sans alcalins, c'est la formation de l'ettringite secondaire par apport d'eau externe qui conduit à l'expansion importante par effet stérique. Dans le système avec alcalins, les comportements d'expansion sont complètement différents. Un nouveau minéral baptisé "phase U", de type AFm incorporant du sodium, a été mis en évidence. Il semble être le responsable de l'expansion observée. Les conditions de formation, le produit de solubilité, les méthodes de synthèse et les distances interréticulaires de la phase U ont été discutés. Les différentes configurations des enrobés réels ont été ensuite étudiées, le comportement étant lié notamment à la phase U, très peu étudiée jusqu'à présent en milieu de ciment. Nous avons retenu comme mécanismes expansifs possibles soit la formation de la phase U secondaire, soit la transformation de la phase U en ettringite, soit la transformation de la thénardite en mirabilite. La première hypothèse a été validée sur un système simplifié, la modélisation de toutes les configurations des enrobés par les bilans massique et volumique nous permet de déterminer théoriquement la répartition massique des hydrates et d'estimer l'expansion par formation de la phase U secondaire. La deuxième hypothèse a été aussi parfaitement vérifiée : l'observation de l'expansion et l'analyse minéralogique des échantillons contenant la phase U et subissant la lixiviation dans différentes solutions nous permettent de supposer que l'expansion est provoquée par la répulsion électrique interparticulaire d'ettringite colloïdale, issue de la transformation de la phase U initiale et formée en présence de chaux. La cinétique de transformation de la phase U en ettringite a été suivie expérimentalement et analysée avec la théorie de la diffusion. La troisième hypothèse n'a pas été validée. En conclusion, la phase U peut provoquer une expansion par deux principaux mécanismes se manifestant individuellement ou simultanément : la formation de la phase U secondaire et la transformation de îa phase U en ettringite colloïdale en présence de chaux. Le présent travail constitue une première étape importante et nécessaire pour prédire la durabilité d'une structure du stockage de déchets radioactifs sulfatés.

Cette thése couvre le périmétre de la carte géologique de Voiron et permet ainsi l'étude des dépôts quaternaires , molasse et substratum tertiaire d'un périmètre de l'avant pays alpin.

L'étude de la géochimie des particules exportées par les rivières himalayennes ainsi que la chimie des éléments dissous ont permis de préciser la quantification du couplage entre la tectonique active, caracteristique de l'Himalaya et le climat ainsi que de définir les principaux processus qui caractérisent l'érosion actuelle de la chaîne himalayenne. Les caractéristiques principales de l'érosion de la chaîne himalayenne sont: - Un important fractionnement minéralogique entre la matière en suspension et la charge de fond des rivières. Pour l'ensemble du Gange-Brahmapoutre (G-B), le transport par les MES est < 50 % de l'érosion totale qui est de 2.4 ± 0.5 10' tonnes/an pour le bassin du G-B. - La corrélation entre le taux d'érosion et l'intensité annuelle des précipitations, tant a l'échelle des larges bassins (G-B) qu'à l'intérieur de la chaîne. Le taux d'érosion de la chaîne est de 2.3 ± 0.6 mm/an pour la partie drainée par le Gange et de 3.4 ± 0.7 mm/an pour celle drainée par le Brahmapoutre alors que les écoulements spécifiques des parties himalayennes de ces fleuves sont respectivement de 1.2 et 2.1 m/an. Au Népal central,le flanc sud, soumis aux précipitations de mousson, s'érode plus de 6 fois plus vite que le flanc nord, soumis à un climat aride et sec. - Un taux maximal d'érosion physique localisée à l'endroit où la surrection tectonique, les précipitations et les glaciers sont les plus importants. C'est à l'aplomb de la rampe crustale du chevauchement himalayen (MHT) que se trouve la haute chaîne, les plus fortes précipitations et les glaciers. A cet endroit, l'érosion physique est au moins 2 fois plus élevée que dans le reste de la chaîne. - Une érosion dominée par le broyage mécanique et non l'altération et la pédogenèse. Pour l'ensemble du G-B, plus de 55% des carbonates sont érodés et transportes sous forrne particulaire et seulement 1.3% des silicates sont dissous. - La limitation de l'altération par la forte érosion physique. Le flanc sud de la haute chaîne est caractérisé par la plus faible altération et la plus forte érosion. Dans la chaîne, le couplage tectonique-altération montre un seuil au delà duquel la tectonique limite l'altération. L'altération du matériel himalayen a principalement lieu dans le bassin d'avant chaîne. - Le flux d'alcalinité liée a l'altération des silicates est de 2.7 10" mol/an ce qui représente 2.3% du flux global. Le bilan de l'altération implique une forte dominance de l'altération des carbonates et un caractère surtout sodique des silicates dissous. La consommation à long terme de CO2 atmosphérique par l'altération dans le bassin du G-B est de 6.4 1010 mol/an. - Une altération abiotique qui représente 14 Eq% de l'alcalinité. L'oxydation des sulfures des séries sédimentaires, principalement, dans la partie tibétaine de la chaîne produit 70% des sulfates dissous du G-B. Des émanations de CO, métamorphique, lié à la décarbonatation en profondeur, peuvent localement contribuer à l'altération. - Le découplage du budget du Sr dissout et celui de l'alcalinité liée aux silicates. L'altération des carbonates dans la partie aride de la chaîne est incongruente et libère une quantité importante de Sr faiblement radiogénique alors qu'une faible altération des terrains silicates anciens (> 2Ga) joue le rôle de spike de 87Sr. Ainsi le G-B (6.5 10.8 mol/an de Sr et un 87Sr/86Sr - 0.730) a un impact primordial sur le budget océanique du Sr. - La prépondérance de l'enfouissement de C organique par rapport à l'altération vis à vis du cycle du carbone. L'érosion .physique de l'orogenèse maintient des taux de sédimentation très élevés dans le bassin d'avant chaîne et le cône du Bengale. L'enfouissement et la préservation de carbone organique actuel est d'un ordre de grandeur plus élevée que la consommation de CO2 atmosphérique via l'altération. Elle représente une faible quantité (5%) de l'enfouissement global, cependant suffisante pour engendrer une perturbation dans le cycle naturel du carbone.

Après une dernière phase de forage et de stimulation hydraulique, le site expérimental de Soultz-sous-Forêts comporte désormais trois puits connectés à un réservoir géothermique profond (5 km). A l'avenir, du fait de la mise en place d'une unité de production électrique, seule la modélisation numérique renseignera sur l'état du réservoir. Une compréhension poussée des propriétés géométriques de ce dernier est donc incontournable. C'est ce que propose ce travail, notamment en étudiant la prise en compte de la zone endommagée dans les modèles de faille.<br />Au cours de cette étude, les propriétés physiques de la zone endommagée (porosité, perméabilité, surface spécifique, conductivité thermique) ont été mesurées à différentes échelles et sur des échantillons présentant des structures et des faciès d'altération variés. La combinaison de ces mesures, et leur intégration dans différents modèles numériques, a notamment permis de mettre en évidence l'impact de la zone endommagée sur les transferts de chaleur et de matière, ainsi qu'une évolution particulière de la géométrie du réseau poreux avec l'altération.

L'objectif principal de cette thèse concerne l'étude, par une approche multi-échelles, du comportement des<br />pierres de monuments vis-à-vis de l'altération. A cet effet, deux pierres de construction, dont certaines<br />caractéristiques principales sont assez semblables (porosité totale, résistance mécanique), sont étudiées : le<br />tuffeau blanc, qui est largement employé dans les constructions des châteaux du Val de Loire, et la pierre de<br />Sébastopol, utilisée en région parisienne.<br />Tout d'abord, une observation des différents types de dégradations rencontrées in-situ ainsi qu'une étude de<br />cas sur une pierre altérée naturellement ont été réalisées afin de constater les différentes morphologies<br />d'altération et d'identifier l'eau comme l'agent vecteur des phénomènes d'altération.<br />Dans un second temps, une caractérisation multi-échelles a été effectuée afin de bien connaître les pierres<br />non-altérées du point de vue de leur constitution minéralogique, de la morphologie de leur milieu poreux et<br />surtout de leurs propriétés hydriques (capacité de rétention d'eau, propriétés de transfert de l'eau sous forme<br />liquide et sous forme vapeur) mais aussi de leur comportement hydro-mécanique.<br />La dernière partie est consacrée à la durabilité des pierres mises en oeuvre avec l'étude de la compatibilité<br />entre les matériaux utilisées en restauration. En effet, le comportement des pierres durant un essai de<br />vieillissement artificiel est comparé. La réaction différente des deux pierres face à ce même processus<br />d'altération est à relier directement à leurs propriétés hydriques très dissemblables. En dernier lieu, une<br />formulation et une caractérisation hydro-mécanique de joints de mortier est proposée afin de déterminer les<br />critères de compatibilité entre le mortier et les pierres en oeuvre.

La minéralisation platinifère étudiée dans ce travail se situe dans le grand massif ultrabasique du sud de la Nouvelle-Calédonie, à l'embouchure de la Rivière des Pirogues. La transformation exogène qui affecte les roches émergées de la ceinture intertropicale, a édifié aux dépends des péridotites de Nouvelle-Calédonie, d'épais manteaux latéritiques enrichis en métaux. L'objectif de cette étude a été de caractériser les évolutions chimiques et minéralogiques qui affectent les phases porteuses d'Eléments du Groupe du Platine (EGP) dans cet environnement latéritique. L'étude pétrographique et pétrologique de trois profils d'altération dans la zone anomale en platine-palladium, a permis de mettre en évidence le rôle majeur de la serpentinisation hydrothermale dans l'évolution de la minéralisation platinifère. Cette altération pré-météorique a néoformé et formé des Minéraux du Groupe du Platine (MGP) par désulfuration de phases préexistantes et par précipitation de nouveaux minéraux. Au contact de l'atmosphère et de l'hydrosphère, les MGP évoluent différemment selon leur composition chimique. Les phases très riches en platine de type isoferroplatine (Pt3Fe) sont stables dans le manteau d'altération, alors que les phases plus riche en fer, cuivre et palladium, comme le tétraferroplatine (PtFe), la tulameenite (Pt2FeCu) ou les oxydes de Pt-Fe subissent une dissolution incongruente, avec une lixiviation sélective de leurs composants chimiques. La caractérisation géochimique à la microsonde électronique des cortex d'altération, révèle le gradient de mobilité suivant lors de la transformation latéritique des MGP : S > Cu > Pd > Fe > Pt. Quel que soit le minéral parental, la phase néoformée est relativement enrichie en Pt, et tend à acquérir la configuration chimique de l'isoferroplatine (Pt3Fe).