Le climat du Quaternaire est défini par une succession de périodes glaciaires et interglaciaires enregistrées dans les archives climatiques à différentes latitudes. La carotte de glace d’EPICA Dome C fournit un enregistrement haute résolution sur les derniers 800 ka du δ18Oatm (i.e. δ18O de la molécule d’oxygène de l’air) qui combine les variations passées du cycle hydrologique des basses latitudes et de la productivité de la biosphère. En l’absence du comptage des couches annuelles, ce proxy peut être utilisé comme méthode de datation orbitale des carottes de glace, en lien avec l’insolation au 21 juin à 65°N. Cependant, un décalage de 6 ka entre le δ18Oatm et l’insolation, généralement observé lors des terminaisons glaciaires-interglaciaires, est appliqué sur l’ensemble de l’enregistrement lors de la construction de l’échelle d’âge. Ce décalage et la complexité du signal du δ18Oatm expliquent l’incertitude élevée de 6 ka des carottes de glace, ce qui limite leur interprétation en termes de variations climatiques et environnementales conjointement à d’autres archives. J’ai donc développé une nouvelle chronologie pour les carottes de glace, basée sur le lien entre le δ18Oatm et le δ18Ocalcite des spéléothèmes est-asiatiques, à partir de nouvelles mesures isotopiques permettant d’avoir pour la première fois un enregistrement complet sur les derniers 800 ka à Dome C. Cette nouvelle chronologie permet de réduire les incertitudes par rapport à la chronologie actuelle et d’avoir une meilleure séquence des évènements entre les hautes et basses latitudes. J’ai ensuite développé un modèle simulant la composition isotopique de l’oxygène atmosphérique afin de répondre au manque d’interprétations quantitatives de ce proxy ainsi que pour vérifier son lien avec le δ18Ocalcite sur plusieurs cycles climatiques. Pour modéliser le δ18Oatm nous avons dû coupler le modèle climatique de complexité intermédiaire iLOVECLIM avec le modèle de végétation CARAIB. Le δ18Oatm simulé par le modèle couplé sur plusieurs dizaines de milliers d’années confirme que ses variations sont en phase avec celles de l’insolation de l’hémisphère Nord (hormis lors d’évènements de Heinrich) et avec celles du δ18Ocalcite via des modifications du cycle hydrologique des basses latitudes, impactant la composition isotopique de l’eau de pluie utilisée par la biosphère terrestre lors de la photosynthèse. / Quaternary glacial-interglacial cycles are recorded in various climatic archives from high to low latitudes. The EPICA Dome C ice core provides a high-resolution record over the last 800 ka of δ18Oatm (i.e. δ18O of atmospheric O2) which combines past variations of the low latitude water cycle and of the biosphere productivity. In absence of annual layer counting, this proxy can be used for orbital dating in association with the June 21st insolation at 65°N to build an ice core chronology. However a lag of 6 ka between the δ18Oatm and the insolation, classically observed during glacial-interglacial terminations, is applied to the entire record during the chronology construction. This lag and the complexity of the δ18Oatm signal are the main reasons why the ice core chronology presents a high 6 ka uncertainty which limits their interpretation, jointly with other paleoclimate archives, in terms of past climate and environmental variations. To solve this issue I have developed a new ice core chronology based on the relation between the δ18Oatm and the δ18Ocalcite of east-asian speleothems, using new isotope measurements allowing for the first time a complete record over the last 800 ka at Dome C. This new chronology reduces the uncertainties compared to the actual ice core chronology strongly based on δ18Oatm and shows a better sequence of events between the high and low latitudes records. Then, I have developed a model to reproduce the isotopic composition of atmospheric O2 to address the lack of quantitative interpretations of this proxy and to check our assumption of synchronicity with the δ18Ocalcite over several climatic cycles. To reproduce the variations of the δ18Oatm, it was necessary to couple the intermediate complexity climate model iLOVECLIM and the vegetation model CARAIB. Finally, the δ18Oatm variations simulated with the new coupled model over several thousand years are in phase with the insolation of the Northern hemisphere (except during Heinrich events) and with low latitudes δ18Ocalcite variations. This can be explained by changes in the low latitude water cycle related to changes in the isotopic composition of meteoric water used by the terrestrial biosphere during photosynthesis.

Dans le contexte du réchauffement climatique, les enregistrements paléoclimatiques à différentes échelles temporelles et spatiales apparaissent essentiels pour comprendre les mécanismes du climat. La Patagonie Chilienne (41°S à 56°S) parcourue du Nord au Sud par les Andes représente une contrainte topographique majeure sur les circulations atmosphériques et océaniques. Cette région est la seule qui intercepte la totalité de la ceinture des vents d'ouest austraux et constitue donc une zone clé pour étudier les changements paléoenvironnementaux et comprendre les mécanismes océan-atmosphère et leurs interactions aux moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère sud. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont : (1) de tester l’analyse pollinique dans les sédiments marins de cette région, (2) d’étudier les modifications des paléoenvironnements continentaux au cours des 20 000 dernières années à partir de deux carottes océaniques de la campagne "PACHIDERME" (MD07-3088 et MD07-3104) et (3) de déterminer leurs liens avec l’activité des vents d’ouest et avec l’influence de ces vents dans l’hémisphère sud et donc sur le climat à l’échelle globale. Les analyses polliniques dans les sédiments marins de surface à l’intérieur et à l’extérieur des fjords de la Patagonie reflètent fidèlement la végétation actuelle développée sur le continent le plus proche, ce qui prouve la validité de la palynologie marine dans cette région. Au niveau de la péninsule de Taitao (46°S), l’expansion des forêts nord patagoniennes après 17.6 ka marque le début de la déglaciation. Cette dernière est interrompue par un évènement froid et humide, l’Antarctic Cold Reversal (ACR) qui s’exprime ici par le développement des tourbières de Magellan et est lié à l’intensification des vents d’ouest. Le développement de taxons héliophiles à ~11 ka illustre le début de l’Holocène sous des conditions plus chaudes et plus sèches qui sont également enregistrées autour du Fjord de Reloncavi (41°S). Ces conditions persistent jusqu’à ~8-7 ka, puis les changements de végétation aux cours de l’Holocène montrent une variabilité climatique plus importante évoluant vers un climat plus froid et plus humide qui se renforce au nord de la Patagonie après ~6-5 ka puis pendant l’Holocène supérieur. La comparaison de nos résultats avec les données paléoclimatiques de la région souligne les déplacements de la ceinture des vents d’ouest. Après une descente rapide vers le sud au début de la déglaciation, cette ceinture des vents d’ouest remonte vers le nord pendant l’ACR avant de redescendre à nouveau vers le sud à l’Holocène proche de sa position actuelle. Ce phénomène appuie l’hypothèse d’un lien entre les variations du CO2 atmosphérique et la ceinture des vents d’ouest jusqu’au début de l’Holocène. A partir de l’Holocène moyen et supérieur, la ceinture des vents d’ouest s’élargit avec un léger retour vers le nord probablement lié à la mise en place d’El Niño au niveau de l’océan Pacifique tropical. / In the context of global warming, paleoclimate records at different time and spatial scales appear critical to understand climate mechanisms. Chilean Patagonia (41°S to 56°S), crossed by the Andes from north to south, represents a major topographic constraint on ocean and atmospheric circulation. It is the only region that intercepts the entire southern westerly wind belt. Thus it represents a key-area for the study of paleoenvironmental changes in the southern hemisphere and the understanding of ocean-atmosphere mechanisms and their interactions from the mid- to high-latitudes of the southern hemisphere. In this context, the purposes are: (1) to test the pollen analysis on marine surface sediments in this region, (2) to study the continental changes of paleoenvironments during the last 20,000 years from two oceanic cores of the "PACHIDERME" campaign (MD07-3088 and MD07-3104) and (3) to evaluate their links with southern westerly wind belt activity and with the influence of these winds on the southern hemisphere and with the climate at a global scale. The pollen analyses of marine surface sediments in fjords or offshore from Chilean Patagonia reflect the present-day vegetation from the nearby continental area. At the Peninsula of Taitao (46°S), the North Patagonian forest expansion after 17.6 kyr shows the beginning of the deglaciation. This last (period) is interrupted by a wet and cool event, the Antarctic Cold Reversal (ACR), that was expressed here by development of the Magellanic moorland linked to the southern westerly wind intensification. The expansion of heliophytic taxa at ~11 kyr illustrates the beginning of the Holocene under warmer and drier conditions that are also recorded around the fjord of Reloncavi (41°S). These conditions persisted until ~8-7 kyr, and then the vegetation changes during the Holocene show a larger climate variability toward a cooler and wetter climate that enhances in northern Patagonia later ~6-5 kyr during the Late Holocene. Our results compared with the regional paleoclimatic data highlight the shifts of the southern westerly wind belt. After a rapid southward shift at the beginning of the deglaciation, the southern westerly wind belt returns northward during the ACR before reaching southern latitudes near to their present-day position. This scheme strengthens the inference of the link between atmospheric CO2 variability and the southern westerly wind belt up to the Early Holocene. From the mid and late Holocene, the southern westerly wind belt was displaced northward with a slight return probably linked to the beginning of El Niño recorded in tropical Pacific Ocean.

Les écosystèmes sahéliens, et tout particulièrement ceux qui se développent sur des sols sableux, réagissent très vite et très intensément aux moindres changements climatiques. Dans cette zone semi-aride, l’érosion éolienne qui affecte essentiellement les surfaces cultivées met en péril l’exploitation durable des ressources en terre. Par ailleurs, l’explosion démographique de ces dernières décennies et les grandes crises climatiques à l’origine des sécheresses du vingtième siècle ont eu d’importantes répercussions sur le milieu. Pour gérer au mieux ce milieu fragile, il importe d’abord de bien comprendre son fonctionnement. Ce travail de thèse s’est donc inscrit dans le programme de recherche AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson africaine) et se situe au coeur du programme CORUS2 (Coopération pour la Recherche Universitaire et Scientifique) concernant essentiellement l’étude de la dynamique éolienne des sols sableux cultivés de la région de Niamey. La stratégie suivie au cours de cette étude a été de s’appuyer sur un important dispositif de mesures expérimentales pour comprendre au mieux et quantifier le fonctionnement actuel du milieu essentiellement vis-à-vis de l’érosion éolienne. Ces mesures expérimentales ont permis d’interpréter les changements que nous avons pu mettre en évidence sur un ensemble de terroirs proches de Niamey qui constituent les bassins versants de deux lacs permanents récents : Bangou Bi et Bangou Kirey (13,51° N – 2,21° E). Les enregistrements sédimentaires recueillis dans ces lacs ont ensuite été analysés en regard de l’évolution de leur bassin versant. Au cours de cette étude nous avons mis en évidence le rôle majeur des résidus de culture dans les champs traditionnels et montré que même à des taux de recouvrement extrêmement bas, ils constituent une protection pour les sols. Cependant leur efficacité chute en deçà d’un seuil de 2% et l’érosion éolienne déplace alors des quantités considérables de terres (130 t/an en moyenne) et participe activement à l’encroûtement des sols. Il est probable qu’à la faveur combinée de la mise en culture de l’ensemble des versant avant 1975 et de la sécheresse de 1985, un tel processus d’érosion et d’encroûtement s’est mis en place expliquant ainsi la dégradation considérable du milieu que nous avons mise en évidence entre 1975 et 2009 à partir d’enquêtes auprès des population et par la cartographie diachronique des petits bassins versant étudiés. A partir de l’étude des sédiments collectés dans les lacs, nous avons pu proposer un modèle de mise en place de ces sédiments qui suggère une intensification de l’érosion à partir du milieu des années 80. / Sahelian ecosystems, especially those installed on sandy soils react very quickly and intensely to small climatic changes. In this semi-arid area, wind erosion which occurs mainly on cultivated millet fields and is threatening the sustainable use of land resources. Furthermore, the rapid population growth and the severe droughts of the twentieth century have had important impacts on ecosystems. To better manage this fragile environment, it is important first to understand how it works. This thesis was included in the framework of the AMMA project (African Monsoon Multidisciplinary Analyses) and was in the heart of a CORUS 2 (Coopération pour la Recherche Universitaire et Scientifique) program which aimed to study wind erosion of cultivated sandy soils in the region of Niamey. The strategy followed in this study was based on detailed experimental measurements aiming to precisely quantify and understand current environment dynamics and more precisely, wind erosion dynamics. The results of experimental measurements were used to explain the changes we observed on small catchments of two permanent lakes near Niamey: Bangou Bi and Bangou Kirey (13.51 ° N - 2, 21 ° E). The sediment cores collected in these lakes were then analyzed in light of their catchments changes during the last century. In this study, we highlighted the major role of crop residues cover in traditionally cultivated field against wind erosion. Even at extremely low cover rate, they provide efficient protection for soils. However, below a threshold of 2%, their efficiency dramatically decrease and wind erosion caused large amount of soil losses (in average 130 t per year) and is actively involved in soil crusting. It is likely that this mechanism (wind erosion due very low crop residue cover and soil crusting) occurred by the middle of eighties due to the combined effects of generalized soil cultivation and sever drought of 1985. These processes explained the large degradation of the lakes watersheds we observed from surveys and diachronic mapping between 1975 and 2009. With sediment core analyses, we proposed a model of sedimentation in the Niamey lakes. This model suggests increasing erosion since the 1980’s. From the study of sediments core collected in lakes, we proposed a model explaining sedimentation that suggests an intensification of erosion from the mid 80s.

Les mesures isotopiques de la glace montrent une succession de réchauffements rapides (Dansgaard-Oeschger) pendant la dernière période glaciaire au Groenland. Ils suggèrent aussi une grande variabilité climatique du dernier interglaciaire et de l'entrée en glaciation. Notre travail s'est appuyé sur les développements récents des mesures isotopiques de l'air piégé dans la glace (N2, O2 et Ar) et de la modélisation du névé pour (i) distinguer la variabilité climatique rapide réelle des artéfacts d'écoulement de la glace, (ii) quantifier l'évolution de température au-dessus du Groenland pendant les événements rapides de la dernière période glaciaire et de l'entrée en glaciation, et (iii) étudier les relations de phase entre la dynamique de la température au Groenland et d'autres acteurs du système climatique (teneur en gaz à effet de serre, volume des calottes de glace, végétation, température aux autres latitudes). Nous nous sommes d'abord attachés à définir les limites et précautions associées à la méthode. D'une part, l'analyse isotopique de l'oxygène piégé ne peut être effectuée que sur de la glace de bonne qualité, conservée à -25°C. D'autre part, un ensemble d'études de névé ont permis d'affiner sa représentation et sa modélisation. Malgré la compréhension accrue de la physique du névé, nous montrons, à partir d'une étude de la déglaciation, que des incertitudes sur les caractéristiques de surface (taux d'accumulation, température) limitent l'interprétation climatique actuelle des isotopes de l'azote et de l'argon en Antarctique. La majeure partie de cette thèse est axée sur le Groenland (carottes de GRIP et NorthGRIP). En exploitant conjointement les isotopes de l'air (de l'azote, de l'argon et de l'oxygène), les isotopes de l'eau (de l'oxygène et de l'hydrogène) et un modèle performant de névé, nous pouvons reconstruire le scénario de température en surface du Groenland en éliminant les biais, liés au cycle hydrologique en Atlantique Nord, qui affectent l'interprétation conventionnelle des isotopes de l'eau comme paléothermomètre. Les réchauffements rapides en période glaciaire atteignent jusqu'à 16°C en une centaine d'années. La température au Groenland pendant les événements de Dansgaard-Oeschger se révèle moins stable qu'initialement interprétée d'après les isotopes de l'eau suggérant un lien fort avec l'intensité de la circulation thermohaline via l'atmosphère. A cause d'un mélange de glace, la carotte de GRIP ne permet pas de donner un enregistrement de la dernière période interglaciaire. Néanmoins, l'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane piégés dans la glace permet de proposer une séquence discontinue pour le dernier interglaciaire au centre du Groenland. La température y était de 5°C plus importante qu'aujourd'hui mais la glace couvrait encore le centre du Groenland. Le nouveau carottage de NorthGRIP a permis d'obtenir à nouveau de la glace du dernier interglaciaire. Nous montrons que NorthGRIP donne le premier enregistrement continu de l'entrée en glaciation au Groenland et que la glace la plus profonde correspond au milieu du dernier interglaciaire (minimum de volume des glaces). La variabilité climatique rapide est d'abord restreinte à l'Atlantique Nord pendant un premier événement de Dansgaard-Oeschger (DO 25). Dès que le volume des glaces atteint un certain seuil (~ tiers de la différence entre le dernier maximum glaciaire et l'actuel), le deuxième événement de Dansgaard-Oeschger porte la signature typique des événements ponctuant l'ensemble de la période glaciaire.

L'archivage glaciaire représente un moyen privilégié d'obtenir des informations permettant une meilleure compréhension des cycles biogéochimiques au cours des temps passés. Si les perturbations induites par l'homme durant les deux cents dernières années ont été abondamment étudiées, les fluctuations naturelles du climat, sur une période recoupant l'Optimum Médiéval (1200-1300 AD.) et le Petit Age de Glace (1300-1800 A.D<), souffrent, quant à elles, du manque d'études détaillées. Nos travaux couvrent cette période et portent sur la composition chimique de la partie soluble des impuretés piégées dans la précipitation solide du Groenland Central. La découverte récente de la capacité qu'ont les carottes de glace du Groenland à enregistrer des feux de biomasse nous a permis d'obtenir les résultats suivants : les signatures chimiques de ces événements dépendent, semble-t-il, du vieillissement du panache occasionné par le transport; la mise en place d'un index des feux, basé sur la fréquence et le flux de débris pyrogéniques déposés, montre trois périodes actives en feu (1200-1350, 1450-1550 et 1860-1920). Ces périodes correspondent à des conditions climatiques favorables aux déclenchements des feux, même si une intervention humaine ne peut être exclue sur la période 1860-1920. La covariance du bruit de fond de formiate et de la densité arborée de la taïga canadienne suggère une source végétale pour ce composé organique. La biosphère continentale serait, de même, à l'origine des quantités importantes de nitrate et d'ammonium déposées au Groenland en regard des flux Antarctiques. Nous n'avons pu mettre à aucun moment en évidence une dénitrification de la stratosphère suite aux éruptions volcaniques. L'étude du MSA a montré un phénomène de migration de ce composé sur les couches de glace anciennes. Le manque de connaissance sur l'évolution passée de la biologie marine ne nous a pas permis de confronter les traceurs de cette activité à d'autres paramètres physiques ou climatiques.

En plus de la destruction des sites à proximités des volcans, l'accumulation de cendres volcaniques dans les zones distales peut causer de graves dommages. De plus l'évaluation de ces dangers n'est pas pleinement prise en compte dans les plans de mitigation actuels. L'étude de la dispersion des retombées pyroclastiques produites par les éruptions explosives des volcans Italiens lors du Quaternaire est le sujet de cette thèse. L'étude tephrostratigraphique de trois carottes lacustres des lacs de Shkodra et Ohrid (Albanie) et d'une carotte marine du Nord de la mer Ionienne a été réalisée. Dix-sept niveaux de tephra ont été corrélés aux éruptions explosives de A.D. 472, Avellino (3.9 cal. ka BP) du Vésuve, Monte Pilato (A.D.1200), Gabellotto-Fiumebianco (8.6 cal ka BP) et Monte Guardia (22 ka BP) de l'île de Lipari, FL (3.4 cal. ka BP) de l'Etna, Astroni (4.2 cal. ka BP), Agnano Monte Spina (4.5 cal. ka BP), Agnano Pomici Principali (12.3 cal. ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) et l'Ignimbrite Campanienne-Y5 (39 ka) des Champs Phlégréens, X6 (107 ka) de la région Campanienne, et de P11 (131 ka) de l'île de Pantelleria. Cinq autres niveaux de tephra possèdent la composition que les dépôts de l'éruption vésuvienne de Mercato. Cela suggère une activité explosive entre les éruptions pliniennes de Mercato (8.9 cal ka BP) et Avellino (3.9 cal ka BP). Toutes ces données ont été intégrées, avec les données préexistantes de la littérature, dans la banque de données d'un SIG. Cette banque de données couplée à un SIG permet de grandement améliorer les dispersions des cendres et représente un outil qui améliore la mitigation des risques volcaniques dans la région centrale de la Méditerranée.

Parmi la multitude des données pétrophysiques utilisées pour décrire une formationgéologique, certaines permettent spécifiquement d'en prédire la capacité de production,à savoir : la porosité, la perméabilité intrinsèque et le coefficient de Klinkenberg.Dans le cas particulier des gas shales, ces trois propriétés essentielles sont extrêmementdifficiles à mesurer précisément, compte tenu de la complexité de cesroches. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de travaux menés au laboratoire I2M départementTREFLE, sur l'analyse et l'amélioration de la méthode Pulse Decay, quiconstitue la méthode de mesure transitoire classiquement utilisée dans l'industriepétrolière pour identifier une ou plusieurs des propriétés d'intérêt. Les multiplespoints faibles de la méthode Pulse Decay sont ici présentés, de même que les pointsforts de la nouvelle méthode issue du perfectionnement de la méthode Pulse Decay,à savoir la méthode Step Decay, développée au laboratoire I2M et brevetée en partenariatavec TOTAL. Plus précisément, les performances de la méthode Step Decaysont ici étudiée aussi bien numériquement qu'expérimentalement, en condition homogène,comme en condition hétérogène. Ce manuscrit fournit également les résultatsd'une analyse portant sur la méthode Pulse Decay sur broyat, qui forme une alternativepossible à la méthode Pulse Decay sur carotte mais dont la fiabilité est fortementremise en question. / Among the multitude of petrophysical data used to describe a geological formation,some of them allow specifically to predict the production capacity, namely: the porosity,the intrinsic permeability and the Klinkenberg coefficient. In the particular case ofgas shales, these three essential properties are extremely difficult to measure precisely,because of the complexicity of these rocks. This thesis is the continuity ofworks led in I2M laboratory-TREFLE department, on the analysis and the improvementof the Pulse Decay method, which is the classical transient method of measurementused in the oil&gas industry to identify one or several of the properties ofinterest. The numerous weaknesses of the Pulse Decay method are here presented,as the strengths of the new method derived from the improvement of the Pulse Decaymethod, namely the Step Decay method, developed in I2M laboratory and patentedin partnership with TOTAL. More exactly, the performances of the Step Decaymethod are here studied numerically as well as experimentally, in homogeneouscondition, as in heterogeneous condition. This manuscript provides also the results ofan analysis dealing with the Pulse Decay method on cuttings, which forms a possiblealternative to the Pulse Decay method on plug but which reliability is highly questioned.

Les feux de biomasse ont un impact important sur l'atmosphère car ils émettent de grandes quantités de composés réactifs (CO, hydrocarbures, acides organiques, NH3, NOx), de gaz à effet de serre (C02, CH4, N20), et d'aérosols. Cette étude est principalement basée sur 2 types de mesures: (1) la composition chimique de panaches de feu du Canada et de l'Alaska (campagne ABLE-3B : The Arctic Boundary Layer Expedition) ; (2) l'analyse chimique des carottes de glaces du Groenland qui fournit un enregistrement unique des précipitations reflétant la composition atmosphérique au moment de la déposition. Ces mesures indiquent des augmentations simultanées d'acide formique et d'acide acétique, ainsi que la présence du formiate d'ammonium. Ces pics sporadiques ont été attribués à des événements de feu de biomasse. La comparaison de (1) et (2) suggère une évolution chimique caractéristique au cours des 5 jours de transport des panaches de feu entre l'Amérique du Nord et le Groenland. Le but de cette étude est d'expliquer la signature des feux de biomasse boréaux enregistrée dans la glace, et de discerner quels sont les processus chimiques qui gouvernent le vieillissement des panaches de feu. Nous avons utilisé un modèle météorologique, et développé un modèle de chimie atmosphérique traitant une chimie gazeuse et aqueuse : élaboration d'un calcul de pH des gouttelettes d'eau nuageuse, induction d'une nouvelle méthode mathématique, puis, mise à jour, modification, et élargissement du schéma réactionnel. Les résultats montrent que les panaches de feux observés au-dessus du Canada ont atteint un équilibre chimique après leur formation en quelques heures ou quelques jours. La chimie aqueuse a une influence négligeable sur les résultats et se sont les transferts de phase gaz-eau-glace qui permettent d'expliquer les mesures de la glace. Nous expliquons comment nous avons extrapolé nos résultats de modélisation à ceux dans la glace, et comment nous avons déterminé des paramètres physico-chimiques importants concernant l'incorporation des composés chimiques dans la glace.