Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France / Le détroit de Nares constitue l'un des trois domaines de l'Archipel Arctique Canadien (AAC) reliant l'océan Arctique à la baie de Baffin. Le potentiel d'eau douce transporté via ces détroits atteint, au sud de la baie de Baffin, la mer du Labrador, et module ainsi les caractéristiques physico-chimiques des eaux de surface et de sub-surface de cette région, siège de la formation d'une des composantes majeures de la circulation profonde de l'Atlantique Nord. Le détroit de Nares, à la frontière est de l'AAC, est à 80% couvert de glace de mer pendant 11 mois de l'année sous l'influence (1) de l'apport de banquise multi-annuelle provenant de l'océan Arctique au Nord, et (2) de la formation in situ de glace de mer. L'histoire hydrologique de cette région est donc intimement liée à celle de ces deux composantes. Par ailleurs, ce couvert de glace régule le transport d'eaux dessalées et de glace vers la baie de Baffin, et entretient l'existence d'une zone ouverte : la polynie des eaux du nord. La polynie des eaux du nord est aujourd'hui essentiellement une polynie à chaleur latente. L'arc de glace du bassin de Kane empêche la dérive de glace de mer et d'icebergs vers la baie de Baffin, pendant que les vents puissants chassent la glace formée à la surface de la polynie. Deux processus physiques important ont alors lieu : (1) la formation de glace de mer en continue entretient la formation de saumures ou « brines », des eaux salées et froides, et (2) sous l'effet du vent, les masses d'eaux de surface sont déviées vers l'île d'Ellesmere. Un mouvement vertical est initié par la plongée des brines et le pompage d'Ekman résultant du déplacement des masses d'eaux par le vent induit la remontée d'eaux atlantiques chaudes, riches en nutriments. La remontée d'eaux atlantiques peut promouvoir la fonte de la glace en surface, ce qui confère à la polynie des eaux du nord son caractère sensible. La productivité primaire est alimentée en continu par des eaux pacifiques riches en silicates à travers le détroit de Nares et la remontée d'eaux atlantiques riches en nitrates dans la polynie, jusqu'à la rupture estivale du pont de glace qui entraine l'entrée de glace dans la polynie et l'arrêt de la remontée de nitrates. Depuis les années 1980, la durée moyenne du pont de glace est en diminution, engendrant une chute de la productivité. Le détroit de Nares a été affecté durant la période post-glaciaire par (1) un retrait rapide des calottes groenlandaise et innuitienne, initialement ancrées sur le fond et convergeant au niveau du détroit de Nares, (2) une baisse importante du niveau marin (rebond isostatique) et (3) des conditions variables de glace de mer pérenne ou saisonnière. Ces trois phénomènes, dont la chronologie et le synchronisme à l'échelle régionale sont très mal contraints, font du détroit de Nares un domaine unique d'examen de la réponse de la cryosphère marine et continentale à un changement climatique rapide tel celui amplifié aujourd'hui dans les régions arctiques sous le forçage du réchauffement global. Les archives sédimentaires prélevées lors des campagnes (2014 et 2016) du NGCC Amundsen dans le cadre de l'ANR GreenEdge et du programme canadien ArcticNet offrent une opportunité unique de reconstituer l'histoire post-glaciaire à tardi-holocène de la région. Notre travail repose sur une analyse multi-proxies de ces archives incluant pour chaque carotte une étude sédimentologique approfondie (granulométrie et lithofaciès), une analyse micropaléontologique (assemblages de foraminifères benthiques et planctoniques), des mesures géochimiques continues de la distribution d'éléments majeurs et mineurs (banc XRF core-scanner), des analyses minéralogiques (q-XRD) et des mesures biogéochimiques (biomarqueurs de la glace de mer IP25 et HBI III). Nos résultats nous ont amené à proposer un âge d'ouverture pour le détroit de Nares situé entre 9 et 8.3 mille ans avant l'actuel (cal. ka BP), avec un âge probable autour de 8.5-8.3 cal. ka BP. Les conditions environnementales suivant la connexion de l'océan Arctique avec la baie de Baffin ont été très variables en lien avec le maximum thermique holocène (induisant de très fortes températures atmosphériques) et l'apport important d'eau de fonte lié au recul des calottes. Dans un environnement plus glacio-distal, un minimum de couvert de glace de mer est observé entre 8.1 et 7.5 cal. ka BP. Avec la chute de températures atmosphériques, le couvert de glace de mer saisonnière est établi de façon régulière à partir de 7.5 cal. ka BP, mais ce n'est qu'à partir de 5.5 cal. ka BP que le pont de glace du bassin de Kane s'inscrit durablement au printemps et en été. La polynie est initiée à partir de 5.5 cal. ka BP, mais elle repose sur une chaleur essentiellement latente. Ce n'est qu'à partir de 4.5 cal. ka BP, lorsque les températures atmosphériques sont assez froides, que la formation de brines est assez importante pour engendrer le transport vertical d'eaux atlantiques. A partir de 3.7/3.0 cal. ka BP, le pont de glace nord est présent de façon quasi-pérenne, ce qui empêche l'entrée de glace de mer arctique épaisse dans le détroit de Nares et abouti à la fragilisation du pont de glace dans le bassin de Kane. Le détroit de Nares devient libre de glace de façon saisonnière et, du fait de l'absence de convection, les eaux de la région nord de la baie de Baffin deviennent stratifiées. Le rétablissement du pont de glace du bassin de Kane est limité à une courte période centrée autour de 500 ans avant l'actuel. / Nares Strait is one of three channels of the Canadian Arctic Archipelago (CAA) which connect the Arctic Ocean to Baffin Bay. The CAA throughflow is a major component of ocean circulation in western Baffin Bay. Nares Strait borders the CAA to the east, separating Ellesmere Island from Greenland, and is 80% covered in sea ice 11 months of the year. The heavy sea ice cover is constituted of (1) Arctic (multi-year) sea-ice having entered the strait by the north, and (2) locally formed first year sea ice, which consolidates the ice cover. The hydrological history of the area is intimately linked to the formation of land-fast sea ice in the strait, constituting ice arches. The seaice cover in Nares Strait regulates freshwater (liquid and solid) export towards Baffin Bay, and is integral to the formation of an area of open water in northernmost Baffin Bay: The North Water polynya. Nares Strait has been at the heart of major geomorphological changes over the past 10,000 years. Its deglacial and post-glacial history is marked by (1) rapid retreat of the Greenland and Innuitian ice-sheets which coalesced along Nares Strait during the Last Glacial Maximum, (2) post-glacial shoaling associated to isostatic rebound, and (3) variable multi-year and seasonal sea ice conditions. Little is known about the evolution of these three environmental components of the Nares Strait history, and they are poorly constrained in terms of chronology and synchronism with other regional changes. Nares Strait and its eventful Holocene history provide a unique case study of the response of the marine and continental cryosphere to rapid climate change, such as that affecting Arctic regions in modern times. The marine sediment archives that were retrieved during the ANR GreenEdge and ArcticNet (2014 and 2016) cruises of CCGS Amundsen offer a unique opportunity to investigate the Deglacial to Late Holocene history of Nares Strait. Our reconstructions are based on a multi-proxy study of these cores, including sedimentologic (grain size and lithofacies), geochemical (XRF), mineralogical (q-XRD), micropaleontological (planktic and benthic foraminiferal assemblages), and biogeochemical (sea ice biomarkers IP25 and HBI III). Our results include an age for the Deglacial opening of Nares Strait between 9.0 and 8.3 cal. ka BP, with the event likely occurring closer to the later bracket of the timeframe (i.e., ca 8.5-8.3 cal. ka BP). This event established the throughflow from the Arctic Ocean towards northernmost Baffin Bay. Environmental conditions were highly unstable in the Early Holocene, and marine primary productivity was limited. A period of minimum sea-ice cover occurred from ca 8.1 to 7.5 cal. ka BP, during the Holocene Thermal Maximum, when atmospheric temperatures were higher than today in Nares Strait. Sea-ice cover became more stably established as a seasonal feature around 7.5 cal. ka BP and primary productivity related to ice edge blooms increased. Eventually, the duration of the ice arches increased and they were present in spring and into the summer from 5.5 to 3.7 cal. ka BP, which allowed the inception of the North Water polynya. The North Water reached its maximal potential between 4.5 and 3.7 cal. ka BP, when warmer Atlantic-sourced water upwelled in the polynya, providing nutrients for primary productivity. The establishment of a near-perennial ice arch in northern Nares Strait prevented export of multi-year sea ice into Nares Strait and hindered the formation of the southern ice arch, ultimately resulting in a less productive polynya over the past ca 3.0 cal. ka BP.

Les ressources en eau de l'Himalaya, vitales pour 800 millions de personnes, proviennent majoritairement de la mousson et de la fonte de la cryosphère. L'impact du changement climatique sur ces ressources, particulièrement important dans cette région selon le GIEC (2007), est un questionnement majeur à l'échelle de la chaîne himalayenne. Dans ce contexte, la quantification des composantes pluviales, nivales et glaciaires du bilan hydrologique est primordiale. A cet effet, un modèle hydrologique conceptuel distribué (HDSM) a été développé pour estimer la répartition de ces composantes dans les écoulements de la rivière Dudh Koshi de 2001 à 2005. Son bassin versant (3 700 km²), dont le point culminant est le Mont Everest, est situé à l'est du Népal. Les surfaces enneigées, calées à partir de données satellitaires, ainsi que les débits, sont correctement simulés par le modèle. Toutefois, le facteur de fonte glaciaire est surestimé, entrainant une composante glaciaire d'environ 60% des débits annuels, contre 5% selon la littérature. Cette surestimation compense une sous-estimation significative des précipitations, notamment solides. Après une correction des précipitations, les composantes pluviale, nivale et glaciaire expliquent respectivement, 63%, 9% et 29% des débits annuels de la Dudh Koshi sur la période 20012005. Pour compléter cette modélisation, les perceptions de la population sur les variations hydro-climatiques, obtenues à partir d'enquêtes dans les villages, ont été comparées aux données quantitatives utilisées et simulées par le modèle HDSM de 1977 à 2007. Cette comparaison la sous-estimation des précipitations solides. Les résultats mettent aussi en évidence une diminution significative des précipitations (totales, liquides et solides) en décembre, et une augmentation significative, non perçue par la population, des températures annuelles mesurées sur les 30 dernières années. Les deux approches, par modélisation et par enquêtes, soulignent les incertitudes importantes des données hydro-climatiques du bassin versant de la Dudh Koshi. Ces incertitudes limitent la compréhension des processus hydro-nivoglaciaires et l'estimation des impacts du changement climatique sur la ressource en eau de ce bassin. Les perceptions, bien qu'elles soient également associées à des incertitudes, apportent des informations complémentaires cruciales pour améliorer ces connaissances et la critique des données quantitatives de ce milieu de haute montagne himalayenne. / The Himalayan water resources, vital for 800 millions of people, come mainly from the monsoon and from the melting of the cryosphere. The impact of the climate change on these resources, especially significant in the area, is a major issue in the Himalayan range. In this context, the assessment of the rainfall, snowmelt and icemelt components of the water balance is crucial. Consequently, a distributed conceptual hydrological model (HDSM) was developed to estimate the contribution of each component to the Dudh Koshi River flows from 2001 to 2005. The Dudh Koshi River basin (3 700 km²), with the Mount Everest as highest peak, is located in Eastern Nepal. The snow cover areas, calibrated with satellite data, and as well as the runoff are correctly simulated by the model. Nevertheless, the ice degree-day factor is overestimated, leading to an icemelt contribution around 60% of annual discharge, against 5% in the literature. This overestimation offsets a significant underestimation of precipitation, especially solid precipitation. After a correction of the precipitation, the contributions of rainfall, snowmelt and icemelt represent respectively 63%, 9%, and 29% of the Dudh Koshi annual discharge from 2001 to 2005. To complete this modeling, perceptions of the population on the hydro-climatic variability, obtained by interviews in the villages, were compared to the quantitative data used and simulated by the model HDSM from 1977 to 2007. This comparison confirms the underestimation of precipitation, especially solid. These results also show a significant decrease of precipitation in December and a significant increase, not perceived by population, of the measured annual temperature on the last thirty years. Both approaches by modeling and interviews highlight large uncertainties on the hydro-climatic data of the Dudh Koshi River basin. These uncertainties limit the understanding of hydrological and cryospheric processes and the assessment of climate change impacts on the water resources of this basin. Although they are also uncertain, the perceptions bring crucial complementary information to improve this knowledge and the analysis of the quantitative data of this high mountain Himalayan area.

Dans un contexte de recul des glaciers causé par le changement climatique et d'augmentation des besoins en eau due à l'accroissement de la population et au développement économique, quantifier les contributions à l'origine des écoulements dans les bassins versants de montagne himalayens est nécessaire à la gestion de la ressource en eau actuelle ainsi qu'à la recherche de solutions d'adaptation aux impacts du changement climatique.La modélisation hydrologique est un outil adapté à la compréhension du fonctionnement des bassins versants de montagne cependant, le manque de données météorologique dans les régions de haute altitude et la représentation simplifiée des processus cryosphériques dans les modèles hydrologiques induisent de fortes incertitudes sur la simulation des débits dans les rivières.Cette thèse vise à quantifier les différentes contributions aux écoulements ainsi que leurs variations saisonnières à l'échelle locale en appliquant un modèle glacio-hydrologique dans un bassin englacé de l'Himalaya népalais.Une nouvelle paramétrisation de l'albédo de la neige et de la fonte des glaciers couverts ainsi qu'une implémentation d'un module d'avalanche sont ajoutés dans le modèle DHSVM-GDM pour améliorer la simulation du couvert neigeux et de l'évolution des glaciers.L'analyse du bilan hydrologique simulé avec la nouvelle configuration du modèle montre que les glaciers jouent un rôle important sur les débits à l'exutoire, notamment en hiver où les débits sont principalement contrôlés par l'écoulement de l'eau liquide stockée dans les glaciers.Cette thèse met en relief la difficulté de quantifier la contribution des glaciers dans les débits de rivière, en effet, sur le bassin étudié, cette contribution est estimée à 45 % de l'écoulement total si on considère la part des écoulements issus de la fonte de glace, ou bien à 70 % si on considère la part des écoulements provenant des zones englacées.L'incertitude des résultats de modélisation est étudiée en évaluant les impacts de la représentation des processus dans le modèle et de l'incertitude des données de forçage sur la simulation des contributions aux écoulements.L'incertitude sur la surface englacée dans le bassin génère une incertitude de 20 % sur le volume de fonte de glace simulé et l'incertitude sur les données de précipitations aboutit à une estimation de la contribution de la fonte de glace aux écoulements est comprise entre 28 et 70 % des débits annuels. / In a context of glacier shrinkage caused by climate change and in a context of an increase of the water demand due to population growth and economic development, it is necessary to quantify the contributions to the outflow in the Himalayan mountain catchments in order to improve the present water resource management and find adaptation solutions to climate change.Hydrological models are useful tools to understand the water balance in mountain catchment, however, the lack of meteorological data in high altitude regions and the simplified representation of the cryospheric processes in the models lead to large uncertainties on the simulated river discharges.This study quantifies the different contributions to the outflow as well as their seasonal variations at local scale using a glacio-hydrological model in a glacierized catchment located in the Nepalese Himalayas.New parametrizations for the snow albedo and debris covered glaciers, as well as an avalanche module, were implemented in DHSVM-GDM model in order to improve the simulation of the snow cover dynamics and the glacier evolution.The simulated water balance obtained with the new configuration of the DHSVM-GDM model shows that glaciers have a major impact on the river discharges, especially during winter when the outflow is mainly controlled by the release from the englacial water storage.This study highlights the complexity of quantifying the glacier contribution to the river discharges because, on the studied catchment, the glacier contribution is equal to 45 % of the total runoff considering the share of ice melt to the river discharge, or 70 % considering the share of runoff originating from glacierized areas.The impact of the representation of the cryospheric processes in the model and the impact of the forcing data on the simulated water components are analysed to assess the uncertainty on the hydrological modelling.The uncertainty related to the glacierized area estimation leads to an uncertainty of 20 % on the simulated ice melt volume, and the uncertainty related to the precipitation datasets result in a simulated ice melt contribution to the outflow ranging from 28 et 70 % of the annual outflow.

La dernière période glaciaire a été ponctuée d’évènements climatiques abrupts connus sous le nom d’évènements d’Heinrich et évènements de Dansgaard-Oeschger. Cette variabilité millénaire a fait l’objet de nombreuses études, mais plusieurs incertitudes demeurent. Ce travail de doctorat vise à étendre et compléter les connaissances existantes sur cette variabilité climatique rapide en ciblant l’étude des variations hydrographiques telles qu’enregistrées au sein de deux archives sédimentaires prélevées au niveau des îles Féroé. Nos principaux résultats, basés sur une approche intégrée multiproxies, mettent en évidence un schéma atypique en Mer de Norvège, où les épisodes froids (stadiaires, évènements d’Heinrich inclus) sont marqués par des températures océaniques de surface relativement élevées (notamment en été) et un couvert de glace de mer réduit à quelques mois par an, et inversement pour les périodes chaudes (interstadiaires) qui enregistrent des conditions océaniques de surface froides et une expansion du couvert de glace de mer. Le caractère atypique des stadiaires paraît lié à une advection accrue d’eaux chaudes atlantiques dans les Mers Nordiques, couplée à un réchauffement de subsurface généralisé au bassin subpolaire Nord-Atlantique et ses mers bordières. Ces deux processus semblent jouer un rôle majeur dans la déstabilisation des ice-shelves et glaciers boréaux, et in fine dans leur effondrement final et les débâcles d’icebergs qui en résultent. Nos travaux nous permettent également de dégager les principaux mécanismes à l’origine des changements de circulation océanique en Atlantique Nord et des variations de température atmosphérique associées. Sur la base de l’ensemble de nos résultats et de ceux émanant de précédentes études, nous proposons ainsi un nouveau scénario de fonctionnement couplé océan-glace-atmosphère permettant d’expliquer les évènements climatiques abrupts de la dernière période glaciaire. / The last glacial period was punctuated by abrupt climatic events known as Dansgaard-Oeschger and Heinrich events. Many studies have focused on this millennial climatic variability, but several uncertainties remain. The present work aims at improving our knowledge on this topic through the study of the hydrographical changes recorded in two marine archives retrieved off Faeroes. Our main results, based on a multiproxy approach, reveal a paradoxical scheme in the Norwegian Sea where cold episodes (stadials, including Heinrich events) are characterized by relatively warm sea-surface temperatures (especially during summer) and a reduced sea-ice cover, and warm periods (interstadials) are marked by a reverse pattern with cold sea surface conditions and extended sea ice cover. The atypical stadial features seem to be related to enhanced advection of warm Atlantic waters in the Nordic Seas, combined to a subpolar North-Atlantic and adjacent seas basin-wide subsurface warming. These two processes seem to play a key role in the destabilization of boreal ice-shelves and ice-sheets, and in fine to their final collapse and subsequent iceberg discharges. Our work also allows us to identify the main mechanisms responsible for Atlantic Meridional Overturning Circulation changes and associated atmospheric temperature variations. On the basis of our results and of those coming from previous studies, we thus propose a new hydrographical scenario which could explain the abrupt climate events of the last glacial period

La cryosphère désigne les milieux où l’eau est présente sous sa forme solide, comme la neige ou les glaciers. La sensibilité des composantes de la cryosphère aux fluctuations climatiques, notamment température et précipitation, permet de construire des indicateurs de première importance dans le suivi de la ressource en eau et de l’évolution du climat. Les structures sociétales sont directement impactées par les altérations de ces réservoirs naturels de montagne : irrigation, potentiel hydro-électrique, tourisme, patrimoine paysager. Dans le cadre du projet de thèse-CRYOPYR, un important travail méthodologique a été effectué pour estimer les variations de surface et de volume de neige et de glace à partir de l’imagerie optique très haute résolution. Le massif des Pyrénées (3 404 m) abrite les glaciers les plus méridionaux d’Europe, et présente un important manteau neigeux saisonnier. Nous avons pu estimer la hauteur de neige en fin de période d’accumulation dans le bassin versant de la centrale hydro-électrique de Bassiès (Ariège). Dans le cas du glacier d’Ossoue (Hautes-Pyrénées), nous avons pu cartographier les variations pluriannuelles d’altitude du glacier. Complétée par une recherche de données historiques, cette démarche a permis de reconstruire les fluctuations du glacier depuis la fin du petit âge glaciaire (1850), et de caractériser les variations du climat régional à haute altitude dans les Pyrénées. L’association de ces méthodes quantitatives et de ces sites d’études permet de fournir des éléments de réponses à la problématique hydro-climatique pyrénéenne. / The Pyrenees mountain range hosts the southernmost glaciers in Europe (south of 43 _N), and are covered by a large seasonal snowpack. Glacier and snowpack are both components of the cryosphere, the water in its frozen state, and present high sensitivity to climatic influences. In the Pyrenees, water availability from snowmelt is an important issue concerning hydropower generation, irrigation in lowlands and are potentially linked to conflict usage. Pyrenees ski resorts are highly vulnerable to a potential declining snowpack. Pyrenean glaciers are strongly out of balance with regional climate and are in jeopardy in this new century. Natural patrimony and the visual perception of the high mountain landscape could be irrevocably affected by this lost. Snow depth cartography may provide valuable information to manage human activities in link with snow presence. To date, there is no direct approach to map snow depth in mountainous areas from spaceborne sensors. Here, we examined the potential of very-high-resolution stereo satellites to map snow depth in a mountain catchment. The results showed a decimetric accuracy and precision in the Pléiades derived snow depths, and realistic snow patterns. We also validated Pléiades data to estimate the annual glacier mass balance of a Pyrenean glacier. Thanks to this new approach and a deep sounding of archives data, we reconstructed the evolution of the second largest glacier of the Pyrenees (Ossoue glacier, 42.46 _N, 0.45 km2). Ossoue glacier has retreated since the end of the little ice age (LIA) with some stable phases, and would probably disappear by the half of the 21th century. Based on a new complete inventory, we maped the outline of the Pyrenean glaciers at the end of the little ice age (1850 approximately) and in 2011. It appears clear that the Pyrenees mountain range is in its last stage of deglaciation. / El término criósfera designa al conjunto de lugares donde el agua está presente en forma sólida, como la nieve o los glaciares. La sensibilidad de los componentes de la criósfera a las fluctuaciones climáticas, en particular la temperatura y las precipitaciones, permite construir indicadores de primera magnitud en el seguimiento del recurso hídrico y de la evolución del clima. Las alteraciones de esos depósitos naturales de montaña afectan de forma directa a estructuras de tipo social, tales como la: irrigación, la energía hidroeléctrica, el turismo o el patrimonio paisajístico. En el marco del proyecto de tesis CRYOPYR, llevamos a cabo un importante trabajo metodológico a partir de imágenes ópticas por satélite de muy alta resolución con el fin de evaluar las variaciones de superficie y de volumen de las capas de nieve y de hielo. Los Pirineos (3 404 m) cobijan los glaciares más meridionales de Europa, así como un importante manto de nieve estacional. Pudimos determinar la altura de la capa de nieve al final del periodo de acumulación en la cuenca de la central hidroeléctrica de Bassiès (Ariège, Francia). En el caso del glaciar de Ossoue (Hautes-Pyrénées, Francia), cartografiamos las variaciones plurianuales de altitud del glaciar. Completamos este trabajo basado en adquisiciones de imágenes por satélite con una búsqueda de datos históricos. De este modo, reconstruimos las fluctuaciones del glaciar de Ossoue desde el final de la pequeña edad de hielo (1850), y caracterizamos las variaciones del clima regional a alta altitud en los Pirineos. La combinación de estos métodos cuantitativos con medidas en sitios representativos de los cambios en curso ofrece elementos de respuesta a la problemática hidroclimática pirenaica.

La disposition discontinue à l'échelle mondiale des habitats de la cryosphère, définie comme les environnements glacés de la Terre, offre un contexte opportun pour définir la répartition géographique des espèces microbienne sur la planète. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, l'abondance et la diversité microbiennes du couvert neigeux et de l'air du Haut-Arctique canadien ont été révélées par des méthodes moléculaires, de microscopie et de cultures. La composition des communautés de bactéries et de protistes de la neige, qui reflétait le transport aérien survenu au cours des huit mois précédant l'échantillonnage, a permis d'identifier les tapis microbiens locaux et l'océan Arctique comme des sources d'inoculum substantielles. L'analyse des séquences d'ADN ribosomique 16S et 18S suggère que les microorganismes habitant les environnements froids comme la neige, la glace marine et les glaciers des régions arctiques, antarctiques et alpines possèdent une distribution globale à travers la cryosphère.

Le nord du Chili est soumis à un contexte climatique aride à semi-aride présentant une variabilité saisonnière et inter-annuelle forte. Dans cette région les zones de haute altitude soutiennent les parties plus basses des bassins versants, mais la ressource en eau reste malgré tout limitée. Afin d'améliorer les méthodes de gestion de l'eau dans ces bassins versants, il est important de préciser le rôle des zones de haute altitude dans le soutien des parties basses, mais aussi de caractériser les modalités de transfert et d'interaction entre les compartiments constitutifs de l'hydrosystème. Ce travail porte sur la caractérisation du fonctionnement hydrologique du bassin versant de l'Elqui depuis la tête de bassin, située au cœur de la cordillère des Andes, jusqu'aux vallées de la zone inférieure situées entre 500 et 2000 mètres d'altitude. En tête de bassin, les processus d'interaction entre les compartiments cryosphériques, hydrologiques et hydrogéologiques, et leurs impacts sur le transfert des masses d'eau vers l'aval de la zone d'étude sont caractérisés. Le comportement hydrologique des sous bassins versant partiellement ou non‑englacés est également étudié. Dans la zone inférieure du bassin, l'étude porte principalement sur les processus d'interactions surface-souterrain en contexte semi‑aride et sur les impacts des forçages climatiques et anthropiques sur ces derniers. Cette étude s'appuie sur plus de 40 ans de données hydro-météorologiques disponibles sur la zone inférieure du bassin, complétés par des mesures hydrologiques sur la zone supérieure (> 2000 mètres d'altitude) et des prélèvements chimiques (majeurs et traces) et isotopiques (²D, 18O) sur la totalité de la zone d'étude, réalisés entre 2011 et 2013.Ces travaux ont montré que le modèle conceptuel de fonctionnement du bassin versant de l'Elqui généralement accepté était incomplet. Dans la zone supérieure, l'étude d'un bassin versant englacé a permis de montrer que le rôle de la cryosphère dépasse la fonction de production d'eau, avec certains compartiments stockant temporairement de l'eau en période humide et la libérant en période sèche. Ce processus permet d'amortir la variabilité temporelle des précipitations et du taux de fonte en altitude. Les analyses physico-chimiques réalisées dans le bassin versant ont également permis d'identifier des compartiments aquifères ignorés jusqu'à maintenant, comme les compartiments volcanique et plutonique. En améliorant les connaissances sur les processus d'interactions entre compartiments cryosphériques, hydrologiques et hydrogéologiques, les résultats de ce travail ont apporté des précisions sur le fonctionnement hydrologique de la zone de haute altitude. Cela a permis l'estimation des impacts potentiels de la variabilité climatique sur ces processus d'interactions et leurs conséquences sur la disponibilité et la qualité de la ressource. Dans la zone inférieure, la caractérisation des interactions surface-souterrain a montré qu'il existe un fort potentiel d'interaction entre le compartiment hydrologique et le compartiment alluvial, mais également entre le compartiment alluvial et le socle plutonique. L'étude des données hydrologiques et physico-chimiques a permis de caractériser le type d'échanges se déroulant entre les compartiments. Dans certains secteurs le processus dominant est la recharge du compartiment alluvial par le compartiment hydrologique, tandis que pour d'autres il existe une alternance entre période de drainage du compartiment alluvial par le compartiment hydrologique et période de recharge du compartiment alluvial. La réponse de ces processus face aux impacts des forçages climatiques et anthropiques contraindra la disponibilité et la qualité de la ressource dans les années à venir. Ainsi, les résultats apportés par ce travail permettront certainement de mieux anticiper les modifications futures du fonctionnement hydrologique des bassins versant montagneux en contexte semi-arides. / The north Chile is affected by an arid to semi-arid climate, associated with a strong seasonal to inter-annual variability. In this region, while mountainous areas are supporting low areas, the availability of water resources remains limited. In order to improve the water management in these basins, it is necessary to precise how the high areas support the low areas, and to characterize water transfers and interaction processes between the constitutive compartments of the hydrosystem. This work concern the characterization of the hydrodynamic behavior of the Elqui watershed from the headwaters, in the Andes, to the valleys, ranging between 500 and 2000 m.a.s.l.In the headwaters, the interactions processes between cryospheric and hydrologic compartments and their impact on water transfers to the low areas are characterized. The behavior of unglacierized or partially glacierized watershed is also studied. In the low area of the watershed, the study mainly considers groundwater-surface water interactions under semi-arid context and the impact of the climatic variability on these processes. This study is based on more than 40 years of hydro-meteorological data available in the lower zone of the basin, completed by hydrological measurements in the upper zone (> 2000 m.a.s.l.) and chemical (majors and traces elements) and isotopic samples (²D, 18O) over the whole study area realized between 2011 and 2013.This work demonstrated that the conceptual model of the Elqui basin hydrological behavior, generally accepted, was incomplete. In the high area (> 2000 m.a.s.l.), the study of a glacierized watershed show that the function of the cryosphere overpass the water production with some compartments storing water during humid periods and draining their water content during dry periods. This process buffers the temporal variability of precipitations and melting rates in the high area. Physico-chemical analysis, allows to identify some ignored aquifer compartments, as the volcanic and plutonic compartments. The results of this study improve the knowledge about interactions processes between cryospheric, hydrologic and hydrogeologic compartments, which precise the hydrological functioning of the high area. The interpretation of the hydrological behavior of the high altitude area allows to better understand the way that it support the low area, and the way that climate variability may affects it.In the low area, results show that the groundwater-surface water interaction potential is good between alluvial and hydrological compartments, but also between the plutonic and the alluvial compartments. The study of hydro-meteorological and physico-chemical data allowed to characterize the type of exchanges that take place between groundwater and surface water. In some sectors the main process is the recharge of the alluvial compartment by the hydrological compartment, while in other sectors the processes show a seasonal variability with periods of alluvial compartment recharge and periods of hydrological compartment support. The answer of these processes face to climatic and anthropic forcing will constrain the evolution of the availability and quality of the water resources in the Elqui basin. Finally, the results of this study will certainly allow to better anticipate the future modifications of the semi-arid mountainous watershed hydrological functioning.

Les plaques de glace forment de petites masses de glace et de neige permanentes qui sont considérées comme un stade intermédiaire dans le continuum neige-glacier. Elles sont omniprésentes dans les régions polaires, ce qui leur confère une fonction centrale dans l’hydrologie et la géomorphologie des versants. Pourtant, très peu d’études s’y sont intéressées jusqu’à présent. Acquérir des connaissances sur ces plaques apparait donc essentiel, non seulement pour comprendre leurs caractéristiques intrinsèques, mais aussi parce que cela ouvre des perspectives importantes pour comprendre la dynamique du géosystème polaire. Afin de répondre à ce besoin, cette thèse cherche à établir l'origine et le fonctionnement des plaques de glace à l’île Ward Hunt (Haut-Arctique canadien) et d’en comprendre les effets sur la dynamique de versant du désert polaire. Cette recherche sur les plaques de glace a été guidée par une approche multidisciplinaire, conduisant à des études glaciologiques, nivologiques, hydrologiques et biogéomorphologiques. Nos résultats ont montré que les plaques de glace se développent par l’aggradation de glace surimposée qui se forme suite au regel de l'eau de fonte à la base de l’accumulation de neige saisonnière. La texture et les propriétés physiques de cette glace varient en fonction de son âge et de l’intensité des processus de recristallisation. La variabilité spatio-temporelle des plaques de glace est principalement contrôlée par la topographie locale et les conditions micrométéorologiques. En hiver, les apports en neige dans les niches topographiques où se forment les plaques de glace sont assurés par le vent. En été, l’intensité de l’ablation est fortement influencée par le vent et le brouillard, qui modulent les échanges d’énergie à la surface des plaques. L'évolution des plaques de glace se caractérise par une stabilité à long terme due à un mécanisme d'autorégulation du bilan de masse assuré par le contexte topoclimatique. Cependant, en raison de leur petite taille, les plaques de glace peuvent disparaître rapidement lorsque l'ablation estivale dépasse un seuil à partir duquel les conditions topoclimatiques ne peuvent plus assurer leur préservation. À Ward Hunt, la présence des plaques de glace depuis au moins plusieurs siècles fait qu’elles ont fortement contribué au développement des versants. Les apports durables en eau et sédiments qui en découlent en été ont enclenché une suite de processus abiotiques et biotiques azonaux dans les marges pronivales. Il en a résulté la formation de systèmes biogéomorphologiques qui consistent en des lobes de solifluxion et des milieux humides colonisés par de la végétation et un couvert de croute biologique. Les modifications morphologiques et physiques du sol en aval des plaques de glace influencent le régime thermique de surface et les profondeurs de dégel. En outre, le développement des zones humides entraine une modification locale des propriétés physiques de la neige en exacerbant le métamorphisme cinétique qui aboutit à la croissance d’une couche de givre de profondeur à la base du manteau neigeux. En apportant une compréhension holistique des plaques de glace polaires, cette thèse permet des avancées empiriques et conceptuelles importantes qui contribuent à mieux comprendre la dynamique du géosystème de désert polaire à un moment charnière où ces environnements subissent en transition rapide en réponse au changement climatique. / Ice patches are small perennial masses of ice and snow that are considered as part of the continuum between seasonal snow and glacier. They are ubiquitous in the Polar Regions, which gives them an important function in slope hydrology and geomorphology. Ice patches have, however, received very little scientific attention so far. Gaining new knowledge on these cryospheric elements thus appears essential, not only to understand their intrinsic characteristics, but also because it holds important perspectives for understanding the dynamics of the polar geosystem. To address this need, this thesis aims to investigate the origin and functioning of the ice patches at Ward Hunt Island (Canadian High Arctic) and to understand their effects on polar desert slope dynamics. This research on ice patches was guided by a multidisciplinary approach, involving glaciological, snow, hydrological and biogeomorphological studies. Our results demonstrated that ice patches develop through the aggradation of superimposed ice that forms by the refreezing of meltwater at the base of the seasonal snowpack. The texture and physical properties of this ice vary according to its age and the intensity of recrystallization processes. The spatio-temporal variability of ice patches is mainly controlled by local topography and micrometeorological conditions. In winter, the snow supply to the topographic niches where ice patches form is provided by the wind. In summer, the intensity of ablation is strongly influenced by wind and fog, which modulate energy exchange at the surface of the patches. The evolution of ice patches is characterized by long-term stability due to a self-regulating mass balance mechanism provided by the topoclimatic context. However, because of their small size, ice patches can disappear very quickly when summer ablation exceeds a threshold at which topoclimatic conditions can no longer ensure their preservation. At Ward Hunt Island, the presence of the ice patches for at least several centuries makes them important drivers of slope development. Sustained meltwater and sediment supplies delivered by ice patches to their pronival margin have triggered a sequence of abiotic and biotic azonal processes. This led to the formation of a biogeomorphic system, consisting of solifluction lobes and humid zones colonized by vegetation and an organic crust cover. Morphological and physical changes in the soil downslope of the ice patches influenced the surface thermal regime and thaw depths. Furthermore, our results show that the humid zone development leads to a local modification of the physical properties of snow by enhancing kinetic metamorphism responsible for the growth of a depth hoar layer at the base of the snowpack. Through a comprehensive understanding of polar ice patches and their effects, this thesis provides important empirical and conceptual advances that contribute to a better understanding of polar desert geosystem dynamics at a pivotal time when these environments are undergoing a rapid transition in response to climate change.