L’objectif de ce travail était d’étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l’océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l’extension des gyres subtropicales et subpolaires. J’ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l’évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d’eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l’oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J’ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l’océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J’ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d’un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l’intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L’apport de l’analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d’eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d’eau est reliée directement à l’intensité des vents d’Ouest. Les similitudes entre les vents et l’index de gyre m’ont amené à proposer un couplage entre l’océan et l’atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l’impact des variations des vents d’Ouest sur le climat européen. / The purpose of this thesis was to study the surface oceanic circulation in the North Atlantic Ocean during the last 2,000 years, and its link with the intensity of the subpolar and the subtropical gyres. To fulfill these objectives, I studied sediment cores with a high sedimentation rate to reconstruct the multidecadal variability of the temperature and the water column stratification, controlled by the dynamic of oceanic gyres. To improve the marine paleoclimatic signal recorded from planktonic foraminifera, I constrained their growing season and their calcification depth by analyzing the oxygen isotopic composition of their calcitic shells. I also established calibrations between Mg/Ca ratio and temperature for the main species used.I applied these calibrations to reconstruct the hydrological conditions in key areas of the North Atlantic Ocean. I constructed an index of the subpolar gyre that traduces the dynamic intensity of the subpolar gyre and the subtropical gyre. I also studied the variability of the upper water column based on the analysis of deep-dwelling foraminifera. I interpret past changes in the water column stratification as resulting from changes in the intensity of Westerly winds. The similarities between the wind forcing evolution and the index of the subpolar gyre dynamics led me to propose a coupling between the ocean and the atmosphere on the multidecadal time scale. The consequences of the gyres dynamic on heat transport and the impacts of the change in westerly wind strength on European climate are studied in the last part of the manuscript.

Il a été récemment montré que le rapport B/Ca des foraminifères planctoniques dépend du pH des eaux de surface, tandis que celui des foraminifères benthiques dépend de la saturation en ions carbonates des eaux de fond. Ce nouveau traceur pourrait permettre de mieux contraindre les variations du cycle océanique du carbone, en particulier lors des changements glaciaire-interglaciaires (G/IG) du Pléistocène. Les objectifs de cette thèse étaient donc (1) de développer l’analyse du B/Ca des foraminifères par spectrométrie de masse (ICP-QMS) au LSCE ; (2) d’identifier certains biais potentiels de ce traceur pour en apprécier les limites; et (3) d’appliquer le B/Ca à des reconstructions paléocéanographiques. Les contaminations et la facilité avec laquelle le bore s’adsorbe (effet mémoire) rendent difficile son analyse dans les coquilles de foraminifères où le rapport B/Ca est faible, typiquement compris autour de ~ 40-120 µmol/mol pour les foraminifères planctoniques et ~ 100-250 µmol/mol pour les foraminifères benthiques. Les techniques de nettoyage des foraminifères et d’analyse par ICP-QMS que j’ai employées et améliorées permettent au final de mesurer le B/Ca des foraminifères avec une précision de l’ordre de 3.5%.A partir de l’étude de sédiments de surface prélevés le long d’un profil bathymétrique dans l’Atlantique (Sierra Leone Rise), j’ai pu montrer que la dissolution des tests de l’espèce planctonique Globigerinoides sacculifer se traduit par une perte préférentielle du bore. La dissolution croissante des coquilles de G. sacculifer le long du profil se traduit ainsi par une diminution de ~ 0.1 unités dans les estimations du pH des eaux de surface à partir du B/Ca, un ordre de grandeur similaire aux variations G/IG. Pour s ‘affranchir de cet effet de la dissolution, je propose une procédure de correction basée sur le B/Ca des foraminifères benthiques (ΔCO₃²⁻ des eaux de fond). Cependant, au-delà de l’effet de la dissolution, la reconstruction du paléo-pH des eaux de surface se heurte surtout aux contradictions des études récentes concernant la calibration du coefficient apparent de partition (KD) du bore dans la calcite des foraminifères planctoniques. Pour s’affranchir de la co-variance de la température, de la salinité et du CO₃²⁻ dans les eaux de surface Atlantique, qui peut masquer le(s) facteur(s) important(s) pour la calibration du KD, j’ai réalisé l’analyse du B/Ca de l’espèce Globigerinoides ruber sur des sommets de carottes de l’Atlantique et de l’Indo-Pacifique. Mes données suggèrent qu’il n’y a pas de relation robuste entre le KD et la température ou le CO₃²⁻ des eaux de surface. Pour souligner les incertitudes sur les reconstructions de paléo-pH depuis le dernier stade glaciaire, j’ai effectué une étude de sensibilité basée sur les données B/Ca de l’espèce G. ruber prélevée dans une carotte du Canal du Mozambique et je propose plusieurs pistes pour tenter d’améliorer, à terme, la compréhension du proxy B/Ca dans les foraminifères planctoniques.Si l’utilisation du B/Ca des foraminifères planctoniques est complexe et demande encore un gros travail de compréhension et de calibration, celle du B/Ca des foraminifères benthiques est plus simple, le B/Ca étant directement lié à la saturation en ions carbonates des eaux de fond. L’analyse du B/Ca de Cibicidoides wuellestorfi à travers deux transitions G/IG (MIS16/15 et MIS12/11) au site ODP 849 (Pacifique équatorial) m’a permis de montrer que les changements de la chimie des eaux de fond estimés à partir de traceurs sédimentaires de la dissolution (e.g. teneur en CaCO3, poids et fragmentation des foraminifères,..) ont des amplitudes erronées et présentent des biais temporels. Les profils de B/Ca et du d13C des foraminifères benthiques permettent de mettre en évidence i) le lien entre dégazage océanique de CO2 et préservation des carbonates et ii) la dynamique de la compensation des carbonates sédimentaires marins. / It has been shown recently that the B/Ca ratio of planktonic foraminifers depends on the seasurface water pH, while benthic foraminifer B/Ca depends on the carbonate ion saturation of deep water. This new tracer could allow to better constrain the variations of oceanic carbon cycle, especially during the glacial-interglacial transitions (G/IG) of the Pleistocene. The objectives of this thesis were therefore : (1) to develop the foraminiferal B/Ca analysis by mass spectrometry (ICP-QMS) at LSCE, (2) to identify some potential biases of this tracer to assess its limits and (3) to apply the B/Ca proxy to paleoceanographic reconstructions. Contaminations and the ease with which the boron may be adsorbed (memory effect) make it difficult to analyze it in foraminifer’s shells, which have low B/Ca, typically in the range ~40-120 µmol/mol for planktonic foraminifers and ~100-250 µmol/mol for benthic foraminifers. Foraminifers cleaning techniques and analysis by ICP-QMS that I used and improved now allow the foraminiferal B/Ca measure with an accuracy of about 3.5%. Based upon the study of surface sediments collected along a depth transect in the Atlantic (Sierra Leone Rise), I was able to show that dissolution of the planktonic species Globigerinoides sacculifer results in the preferential loss of boron. The increasing G. sacculifer dissolution with depth of deposition results, therefore, in a ~0.1 units decrease of the seasurface pH estimated from B/Ca, an order of magnitude similar to the expected G/IG variations. To overcome this dissolution effect, I propose a correction procedure based on the B/Ca of benthic foraminifera (bottom water ΔCO₃²⁻). However, the dissolution effect is not the only problem. When trying to reconstruct surface water paleo-pH, we also have to deal with the severe contradictions between recent studies which dealt with the calibration of the apparent boron partition coefficien (KD) in the calcite of planktonic foraminifers. To overcome the co-variance of temperature, salinity and CO₃²⁻ in Atlantic surface waters, which can mask the real important(s) factor(s) for KD calibration, I analyzed the B/Ca of Globigerinoides ruber picked from both Atlantic and Indo-Pacific core-tops. My data suggest that there is no robust relationship between KD and temperature or CO₃²⁻ water surface. To emphasize the uncertainties on the reconstruction of paleo-pH since the last glacial stage, I conducted a sensitivity test based on G. ruber B/Ca data from a Mozambic Channel core. I propose several ways to try to improve our understanding of the B/Ca proxy in planktonic foraminifers. If the use of planktonic foraminifer B/Ca is complex and still requires some dedicated work to understand the problems and improve the calibrations, the use of benthic foraminifer B/Ca is more simple, the B/Ca being directly related to the carbonate ion saturation of bottom waters. Analyses of Cibicidoides wuellestorfi B/Ca through two G/IG transitions (MIS16/15 and MIS12/11) on ODP Site 849 (equatorial Pacific) allowed me to show that changes in deep water chemistry estimated from the sedimentological dissolution proxies (e.g. %CaCO3, foraminifer shell weight and fragmentation, …) display incorrect amplitudes and temporal biases. Based on the comparison of benthic foraminifer B/Ca and δ¹³C, I was able (i) to highlight the link between oceanic CO2 degassing and deep-sea carbonate preservation in the Pacific and (ii) better unravel the dynamics of pelagic carbonate compensation.

L'aquifère du Trarza s'étend sur environ 40 000 km2 dans le sud-ouest mauritanien, entre le fleuve Sénégal au sud, l'Océan Atlantique à l'ouest et les formations métamorphiques de la chaîne des Mauritanides au nord et à l’est ; il est contenu dans les sédiments du Continental Terminal et du Quaternaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier avec une double approche géochimique (ions majeurs, 18O, 2H, 14C, 13 C) et hydrodynamique les processus de recharge de la nappe en réponse aux changements environnementaux. Les campagnes de terrain menées entre 2010 et 2012 ont significativement complété les rares mesures anciennes. Le niveau de la nappe ne semble pas avoir connu d’évolution significative durant les cinquante dernières années malgré un pompage localement important. L’écoulement général des eaux souterraines de la nappe se produit du sud vers le nord, c'est-à-dire du fleuve Sénégal vers la dépression au nord de Boutilimit où la nappe est à plus de 30 m sous le niveau de la mer. Le croisement des approches hydrodynamique et géochimique a montré que, dans cette zone semi-aride, la dynamique de la nappe est influencée par les multiples changements actuels et anciens de l'environnement (depuis les transgressions quaternaires et les paléotracés du fleuve jusqu'aux différents barrages régulant le cours du fleuve Sénégal). La nappe est principalement alimentée par l’infiltration latérale des eaux de surface du fleuve Sénégal et dans une moindre proportion par les précipitations. La minéralisation des eaux souterraines reste largement influencée par les résidus des transgressions quaternaires. L'évaporation marque fortement les eaux de surface avant et durant leur infiltration. Des calculs encore très préliminaires faits par différentes méthodes indépendantes suggèrent une recharge annuelle inférieure ou égale à 5 % des précipitations, soit de 5 à 10 mm. / The Trarza aquifer covers about 40 000 km2 in the south-western Mauritania in a semi-arid environment, located between the Senegal River in the south, the Atlantic Ocean to the west and the metamorphic chain of Mauritanides in the north and east. The Trarza aquifer is made of Quaternary and Continental Terminal sediments. The objective of this work is to combine geochemical (majors ions, 18O, 2H, 14C, 13 C) and hydrodynamical approaches for identifying the groundwater recharge in response to current and past environmental changes. The field survey carried out from 2010 to 2012 significantly supplemented the limited older measurements. The water table levels appeared quite stable over the last fifty years despite important local pumping. The groundwater flows occurs from south to north, i.e. from the Senegal River to a depression north of the Boutilimit where the piezometric level is more than 30 m below the sea level. Combining geochemical and hydrodynamical approaches revealed that the dynamics of the aquifer is influenced by many changes in both current and former environment (from Quaternary transgressions and palaeobeds of the Senegal River to the dams now regulating the river flow). The main source of the aquifer recharge is lateral infiltration from the Senegal River, and precipitation to a lesser extent. Mineralization of groundwater is largely influenced by the residues of Quaternary transgressions. The important effect of evaporation on surface waters before and during their infiltration is strongly marked geochemical signature. Preliminary calculations performed with several independent methods suggest that the annual recharge rate from precipitation is up to 5 %, i.e. from 5 to 10 mm.

L’hydrologie, la géochimie et la météorologie du petit bassin versant glaciaire à pergélisol continu du glacier Austre Lovén (10 km2, Spitsberg occidental, 79°N) ont été étudiées au cours des trois années hydrologiques 2010, 2011 et 2012 en vue de mieux définir le rôle des eaux souterraines de la nappe supra-pergélisol dans les flux d’eau et de solutés en sortie de bassin.Le travail de thèse a montré que la période d’écoulement survient en moyenne sur une période de 141 jours (σ = 4,5 jours) comprise entre les 9-10 mai et 26-27 octobre. La lame d’eau moyenne est de 0,940 m.a-1 (σ = 0,156 m.a-1) et se répartie à 79 % en eau de fonte (54 % de fonte de neige et de glace sur le glacier, 18 % de neige sur les versants et 7 % de neige dans la zone proglaciaire), 18 % en hauteurs de précipitation efficace et 3 % en décharge sous-glaciaire pérenne. Les incertitudes sur la quantification des composantes de l’écoulement et de la lame d’eau écoulée elle-même ne permettent pas une quantification plus précise des flux en eau de la nappe supra-pergélisol. Cette étude montrerait donc qu’en termes de flux d’eau, la composante d’eau souterraine supra-pergélisol pourrait être négligeable et ne constituer qu’un réservoir de transit de l’eau. En effet, le suivi piézométrique montre que la nappe dégèle et regèle à des profondeurs similaires malgré la présence d’épisodes de recharge. Ces recharges qui surviennent majoritairement au profit d’épisodes pluvieux importants (hauteurs cumulées sur 2 à 8 jours supérieures à 20 mm) se déchargent lentement par une alimentation de la rivière par la nappe. Les suivis thermiques du sous-sol ont enfin permis d’établir que le toit du pergélisol supposé se situe à une profondeur de 2,50 m pour une puissance de nappe pouvant atteindre plus d’1,70 m, soit 70 % de la couche active. Par ailleurs, les données thermiques montrent des températures du sous-sol à moins de 0,5°C de la température de dégel, laissant supposer une dégradation prochaine du pergélisol avec par conséquent un accroissement de l’épaisseur de l’aquifère de la nappe supra-pergélisol (couche active).Les données de géochimie montrent une augmentation de la minéralisation des eaux de surface du bassin par des contributions d’eau souterraine le long des cours d’eau, preuve que les eaux de la nappe supra-pergélisol impactent les flux de solutés aux exutoires. Les analyses en chimie élémentaire (n = 178) conduites sur les différents composants du système hydrologique montrent que les eaux du bassin possèdent un faciès sulfaté-bicarbonaté calcique à bicarbonaté-sulfaté calcique lié à l’altération des carbonates et des sulfures des moraines récentes et dans l’altération d’aluminosilicates dans les moraines plus anciennes. Les données d’isotopie du strontium (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr  ; n = 8) corroborent un apport du calcium dissous par les aluminosilicates de par leur signature radiogénique. Les teneurs en ¹³C du CID des eaux (n = 30) sont cohérentes aussi bien avec un système ouvert sur le CO₂ du sol (à -20 ‰) et le CO₂ atmosphérique (entre -6,5 et -8 ‰) qu’avec un système fermé sur le CO₂ où la signature de δ ¹³C des carbonates marins (à 0 ‰) peut s’imposer par dissolution. Les données d’isotopie de la molécule d’eau (n = 592) ont permis d’identifier les signatures des différentes familles d’eau composant l’hydrosystème et de proposer un modèle de mélange entre 4 pôles expliquant les signatures des eaux aux exutoires du bassin versant : eaux de fonte, précipitations estivales, eaux sous-glaciaires et eaux de la nappe supra-pergélisol. Le couplage entre les teneurs en ¹⁸O et SO²₄⁻ des eaux aux exutoires confirme ce modèle de mélange, le renforçant même en termes de variations temporelles. La mesure de ³H-³He tendrait vers un temps de séjour court tandis que les premières mesures d’activité ¹⁴C (n = 15) sont faibles, renseignant une minéralisation des eaux par un carbone ancien. / The hydrology, geochemistry and meteorology of a small, Arctic glacial watershed under continuous permafrost conditions (Austre Lovén glacier catchment area of 10 km2, western Spitsbergen, 79°N) were studied during the three hydrological years 2010, 2011 and 2012 to better define the role of suprapermafrost groundwater on both water and solute fluxes at basin outlet. The runoff period occurs on average over a 141 days period (σ = 4.5 days) between May 9-10 and October 26-27. The mean total discharge is 0.940 m a-1 (σ = 0.156 m a-1) divided into 79 % of meltwater (54 % of snowmelt and icemelt from the glacier, 18 % of snowmelt from the slopes and 7 % of snowmelt from the proglacial area), 18 % of effective summer precipitation and 3% of perennial subglacial discharge. Uncertainties in quantifying the runoff components and the total discharge itself don’t allow more precise quantification of water fluxes from the suprapermafrost groundwater by water balance. This study would so show that the suprapermafrost groundwater component would be negligible in the water balance and only constitute a transit tank for water. Indeed, the potentiometric level monitoring shows that the water-table thaws and freezes at similar depths despite recharge events occurring during summer. Those recharge events mainly occur in favor of important rain events (cumulative amounts on 2 to 8 days higher that 20 mm). The water-table discharges towards rivers. The monitoring of ground temperature indicates that the frozen ground (supposed permafrost) top is located at a maximum depth of 2.50 m for a groundwater thickness reaching up to 1.70 m, or 70 % of the active layer. Thermal data show ground temperatures between 0 and - 0.5°C, close to thaw temperature, which let suppose a permafrost degradation between 2.50 and 3.40 m deep is about to occur due to climate warming. Consequently, the suprapermafrost groundwater aquifer (active layer) is expected to thicken. Geochemical data show an increase of the basin surface water mineralization by groundwater contribution along the rivers, proof of a suprapermafrost groundwater impact on the solutes fluxes at the outlets. Elementary chemical analyses (n = 178) performed on the different components of the hydrological system show that basin waters have a sulfate-bicarbonate calcium to bicarbonate-sulfate calcium type linked to carbonates dissolution and sulfides (pyrite) oxydation in the recent moraines and to aluminosilicates weathering in older moraines. Strontium isotopic data (87Sr/86Sr; n = 8) are consistent with a contribution in dissolved calcium from aluminosilicates according to their radiogenic signature. The ¹³C contents of water DIC (n = 30) are consistent just as well with a system open on the soil CO₂ (at -20 ‰) and the atmospheric CO₂ (between -6.5 et -8 ‰) than with a system closed on the CO₂ where the δ ¹³C of marine carbonates (at 0 ‰) control the δ ¹³C signature by dissolution. Isotopic data of the water molecule (n = 592) are helpful to separate the signatures of the different water masses of the hydrosystem and to propose a 4 end-members mixing model explaining the river water signature: meltwaters, summer precipitations, subglacial water and suprapermafrost groundwater. The coupling between river water contents in ¹⁸O and SO²₄⁻ confirms this mixing model, even reinforcing it in terms of temporal variations. The unique measurement of ³H-³He tends to a short residence time while the first ¹⁴C activity data (n = 15) are low, giving a water mineralization by an old carbon.

Cette thèse a les objectifs suivants :1. Mieux comprendre comment les isotope du bore dans les sédiments fluviaux modernes enregistrent le régime d’altération à l'échelle du bassin versant. 2. Mieux comprendre comment le « signal » d’altération porté par les sédiments fluviaux est transféré des zones sources vers l’environnement de dépôt. 3. Déterminer si les isotopes du B dans les dépôts sédimentaires (paléo-canaux) peuvent être utilisés pour reconstituer les conditions paléo-climatiques et paléo-environnementales et ainsi révéler comment l’altération continentale au sens large (production et transport de sédiments) a réagi à la variabilité climatique au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire (derniers 100 ka). Ces objectifs ont été examinés en étudiant les matériaux fluviaux des fleuves Gandak (Himalaya) et Murrumbidgee (NSW, Australie) et des dépôts de sédiments fluviaux de la Riverine Plain (basin versant de Murrumbidgee). La connaissance des paramètres qui contrôlent le fractionnement isotopique du bore des sédiments fluviaux au cours de la formation et du transport a d'abord été acquise dans les systèmes modernes, puis appliquée à d'anciens dépôts de paléochenaux. / This thesis has the following objectives: 1) To better understand how boron isotopes in modern fluvial sediments record the weathering regime at the catchment scale. 2) To better understand how the weathering “signal” carried by river sediments is transferred from source areas to the depositional environment. 3) To determine if boron isotopes in sediment deposits (paleochannels) can be used to reconstruct paleo-weathering and paleo-environmental conditions and reveal how continental weathering at large (production and sediment transport) responds to climatic variability over the last glacial-interglacial cycle (last 100 ka). These objectives were addressed by studying fluvial material from the Gandak (Himalayas) and Murrumbidgee (NSW, Australia) Rivers and fluvial sediment deposits from the Riverine Plain (Murrumbidgee catchment, Australia). Knowledge of the parameters that control boron isotope fractionation of river sediment during formation and transport was first gained in the modern systems and then applied to ancient paleochannel deposits.

La monazite est présente comme minéral accessoire dans la plupart des environnements géologiques. Elle est souvent riche en U et Th, n’incorpore pas (ou peu) de Pb initial et son système isotopique (U-Th-Pb) est résistant à la diffusion dans la majorité des conditions crustales, ce qui en fait un chronomètre très attractif. De plus, elle constitue la principale source de Th et une des principales sources de terres rares (REE) contenus dans la croûte terrestre. En présence de fluide, la monazite peut recristalliser par un processus de dissolution-précipitation couplée, avec une composition chimique et/ou isotopique différente de la monazite initiale. Ces recristallisations impliquent alors une redistribution des éléments contenus par la monazite (REE, Th, U, Pb) et la compréhension de la mobilité de ces éléments stratégiques est cruciale pour leurs aspects économiques (ressources en lanthanides et actinides) et environnementaux (contexte de stockage des déchets).Cette thèse vise à étudier le comportement de la monazite lors des interactions fluide-monazite et son potentiel comme traceur chronomètre et traceur géochimique des minéralisations hydrothermales. Pour cela une approche pluridisciplinaire a été adoptée, combinant minéralogie, pétrologie expérimentale, géochronologie, et tectonique. Les travaux présentés s’organisent en deux parties: l’une concernant la datation de monazites hydrothermales de fentes alpines, et l’autre des expériences d’altérations hydrothermales en laboratoire.Une quarantaine de cristaux de monazite et une dizaine de cristaux de xénotime ont été collectés dans des fentes alpines (veines hydrothermales se formant durant l’exhumation) des domaines externes (Argentera, Belledonne et Mont-Blanc) et internes (zone Briançonnaise). La datation U-Th-Pb in-situ par LA-ICP-MS a permis de mieux contraindre l’âge et la durée des circulations hydrothermales pendant les épisodes de déformation tardifs liés à l’exhumation des Alpes occidentales. Les analyses d’inclusions fluides dans la monazite couplées à des âges traces de fission sur zircons ont apporté de nouvelles contraintes sur le gradient géothermique induit par les circulations fluides dans les veines hydrothermales. L’analyse systématique des produits expérimentaux (monazite et fluide) de 18 expériences hydrothermales a permis de confirmer la mobilité des éléments comme l’uranium ou les terres rares lourdes lors des réactions hydrothermales. L’étude à l’échelle nanométrique des domaines de monazite recristallisée a mis en évidence un nouveau mécanisme de remplacement caractérisé par la propagation du front de réaction à l’aide de nano-pores et nano-fractures. Ce mécanisme conduit à un remplacement anisotrope et à un mélange de nano-domaines de monazite primaire et recristallisée. Ces observations ont des implications majeures pour le stockage des déchets radioactifs ou en géochronologie pour expliquer les perturbations des âges monazites ayant réagi avec un fluide dans les milieux hydrothermaux ou métamorphiques. / Monazite is commonly found in most of geological environments. Monazite can be rich in uranium and thorium, does not incorporate lead, and its isotopic (U-Th-Pb) system is very robust to diffusion in most of crustal conditions, which makes it a very attractive chronometer. In addition, it represents the main source of thorium and a major source of rare earth elements (REE), in the crust. During fluid-monazite interaction, monazite can recrystallize by a coupled dissolution-precipitation process, with a chemical/isotopic composition different from the initial monazite. These recrystallizations involve a redistribution of the elements contained in monazite (REE, Th, U, Pb) and understanding of the mobility of these strategic elements is crucial for their economic (lanthanides resources and actinides) and environmental (storage of radioactive waste) aspects.The aim of this thesis is to investigate the behaviour of monazite during fluid-monazite interactions and its potential as chronometer and geochemical tracer of fluid mineralization, via a multi-disciplinary approach including mineralogy, experimental petrology, geochronology and tectonic. The work presented here is organized in two parts: one on Alpine hydrothermal monazite dating and the other on the results of hydrothermal alteration experiments in laboratory.About forty monazite and ten xenotime crystals were collected in Alpine clefts (hydrothermal veins formed during exhumation) of the external (Argentera, Belledonne, Mont-Blanc) and the internal (Briançonnais Zone) domains. The LA-ICP-MS in-situ U-Th-Pb dating allowed to better constrain the age and duration of hydrothermal circulation during the late deformation stages related to the exhumation of the western Alps. The fluid inclusion analysis of monazite crystals coupled with zircon fission-track dating have brought new constrains on the geothermal gradient induced by fluid circulations in the hydrothermal veins. Systematic analysis of experimental products (monazite and fluid) of 18 experiments confirmed the mobility of elements such as uranium or heavy REE during hydrothermal reactions. The nanoscale study of monazite recrystallized domains showed a new replacement mechanism characterized by the propagation of the reaction front through nano-pores and nano-fractures. This mechanism leads to anisotropic replacement and a mixture of nano-domains of primary and recrystallized monazite. These observations have major implications for the storage of radioactive waste or in geochronology to explain the disturbances of monazite ages that have reacted with fluid in hydrothermal or metamorphic environments.

Le mercure (Hg) est un polluant global et ses effets écotoxicologiques sont fortement dépendants de sa forme chimique principalement sous forme de méthylmercure (MeHg). En raison de la forte bioaccumulation et bioamplification du MeHg dans les réseaux trophiques, l'exposition humaine est associée à la consommation de poissons, mais aussi du riz produit à proximité des régions minières riches en Hg (Chine). La composition isotopique du Hg est un outil potentiellement puissant qui a été récemment utilisé pour le traçage de la contamination par mercure et les processus biogéochimiques dans l'environnement et les organismes vivants. Dans ce travail, la spéciation et la composition isotopique du mercure d'échantillons bio-environnementaux ont été étudiées afin d'élucider les voies de contamination par Hg entre les milieux contaminés et certains organismes vivants cibles, tels que le système sol-riz dans une région minière (Hg) et le biote aquatique dans une rivière polluée par une usine de production chlore/soude. Une étude écotoxicologique a également démontré que la composition isotopique de Hg dans les différents organes des poissons permet de mieux comprendre les voies métaboliques du Hg et la réponse toxicologique induite. / Mercury (Hg) is a global pollutant and its ecotoxicological effects are strongly dependent on its chemical form mainly as methylmercury (MeHg). Due to the high bioaccumulation and biomagnification of MeHg in food webs, human exposure occurs through the consumption of fish, but also rice nearby Hg mining area (China). Hg isotopes composition is a potentials powerful tool and has been recently used to trace Hg contamination and biogeochemical processes in environment and living organisms. In this work, Hg speciation and isotopic composition of bio-environmental samples has been investigated in order to elucidate Hg contamination pathways between contaminated sites and target living organisms such as soil-rice plant system in a Hg mining region and aquatic biota in a river impacted by a chlor-alkali plant. An ecotoxicological study has also demonstrated how Hg isotopic composition in different fish organs allows to better understand Hg metabolic pathways and induced toxicological response.

La déshydratation, l’oxydation et la fracturation sont les trois principaux processus couplés subis par l’argilite callovo-oxfordienne recoupée par les galeries du Laboratoire Souterrain de Meuse/Haute-Marne de l'Andra lors de l'excavation de galeries. Une série de forages à différents temps après l'ouverture de la galerie a permis d'étudier l'évolution des perturbations en fonction du temps, jusqu'à 18 mois. Les profils de teneur en eau et les analyses isotopiques montrent une déshydratation en surface des parois d'environ 50%. Le front de déshydratation est rapidement sub-stationnaire car il résulte d'un équilibre entre la recharge par l'eau de la formation et l'évaporation imposée par la pression partielle de l'eau dans l'air de la galerie. La zone perturbée affecte principalement les premiers 70 cm, et ne se fait plus sentir à partir de 1 m 50. L’oxydation des pyrites provoque la formation de fluides sulfatés acides qui dissolvent les minéraux environnants, libèrent dans la solution des ions Ca2+, K+ et Na+ puis lors de la déshydratation de l’argilite, l'évaporation de l'eau porale induit la précipitation de minéraux sulfatés principalement. La dégradation de la matière organique dans les conditions des galeries montre une dégradation limitée, due soit à une oxydation très discrète, soit à une dégradation lente non détectable aux temps courts. Une série d'expérience de mise en équilibre d'eau avec une roche plus ou moins oxydée a permis d'évaluer l'impact de la présence des phases minérales néoformées sur les caractéristiques chimiques des eaux de réhydratation. Cette approche expérimentale a été confrontée aux résultats de modélisation géochimique. Les résultats obtenus permettent de mieux préciser les caractéristiques géométriques, minéralogiques et physico-chimiques de cette zone perturbée qui est susceptible d'évoluer par la suite en condition de réhydratation et d'élévation de température lors du stockage / Dehydration, oxidation, and fracturing are the three main and coupled processes underwent by Callovian-Oxfordian argillite cut by the galleries of the Laboratoire Souterrain of Meuse / Haute-Marne of Andra during the excavation. Several boreholes drilled at different times after the opening of the gallery were used to study the evolution of disturbances with time up to 18 months. Profiles of water content and isotopic analysis show dehydration at the surface of the walls of about 50%. The area of dehydration is rapidly sub-stationary because it results from a balance between the suction by the pore water and the evaporation imposed by the partial pressure of water in the air of the gallery. The disturbed area mainly affects the first 70 cm, and not exceeds 1 m 50. The oxidation of pyrite causes the formation of acid sulphate fluids which dissolve the surrounding minerals in the solution, release Ca2+, K+ and Na+ in the pore water then during the dehydration of argillite, the evaporation of the pore water leads to the precipitation of sulphate minerals mainly. The degradation of organic matter in the galleries shows a limited deterioration due to a very moderate oxidation or the slow degradation is not detectable at short times. Several experiments of equilibration between more or less oxidized samples and water were used to evaluate the impact of the presence of new-formed mineral phases (sulphates) on the chemical composition of the rehydration water. This experimental approach has been compared to results of geochemical modelling. The results obtained allow us to define geometrical, mineralogical and physico-chemical properties of the disturbed zone which could evolve thereafter during rehydration and temperature rise in storage condition

Aujourd'hui, la gestion des sites et sols pollués apparaît comme un enjeu majeur des politiques environnementales et sanitaires. Pour ce faire, des outils d'aide à la décision doivent être développés et validés afin de faciliter l'identification et la compréhension des risques induits. Dans ce contexte, l'objectif de cette étude est d'améliorer les connaissances quant aux liens existants entre la nature des contaminants, leurs comportements géochimiques, la nature des phases porteuses et la bioaccessibilité. In fine, de cette compréhension fine en découlera une évaluation plus spécifique des risques environnementaux et sanitaires leur étant imputable, et une remédiation plus cohérente. Pour ce faire, deux sites contaminés à la typologie différente (minier vs industriel) ont été étudiés mais à contamination semblable (As, Pb, Zn et Cd). Après un échantillonnage représentatif en adéquation au type de site et à sa géomorphologie, une caractérisation physico-chimique fine a été effectuée sur chaque échantillon avant de déterminer leur stabilité environnementale et physiologique (bioaccessibilité). Le couplage avec de la minéralogie environnementale a permis d’expliquer le comportement des éléments dans les différents milieux. Dans un second temps, afin de s'affranchir des contraintes d'un milieu complexe comme le sol et de définir l'impact réel de chaque phase porteuse sur les risques, des phases pures ont été synthétisé et soumises aux mêmes tests que les échantillons naturels. Un retour sur le solide est alors systématiquement effectué mettant en évidence les modifications minéralogiques subies par l'échantillon. Des mélanges ont également été effectué afin d’appréhender et de mieux comprendre les effets cocktails d’éléments métalliques et metalloïdes. Cette approche intégrée, multi-analytique et multi-échelle est alors la première étape d'un long processus de compréhension et de prédiction des risques basé sur le couplage géochimie et minéralogie environnementale. / Today, the management of polluted sites and soils appears to be a major challenge for environmental and health policies. To do this, decision support tools must be developed and validated to facilitate the identification and understanding of the risks involved. In this context, the objective of this study is to improve knowledge of the links between the nature of contaminants, their geochemical behavior, the nature of carrier phases and bioaccessibility. Ultimately, this understanding will lead to a more specific assessment of the environmental and health risks attributable to them, and to a more coherent remediation. To do this, two contaminated sites with different typologies (mining vs. industrial) were studied but with similar contamination (As, Pb, Zn and Cd). After a representative sampling in accordance with the type of site and its geomorphology, a fine physico-chemical characterization was carried out on each sample before determining their environmental and physiological stability (bioaccessibility). The coupling with environmental mineralogy made possible to explain the behavior of the elements in the various environments. In a second step, in order to overcome the constraints of a complex environment such as the soil and to define the real impact of each bearing phase on the risks, pure phases were synthesized and subjected to the same tests as the natural samples. A return to the solid is then systematically carried out, highlighting the mineralogical changes undergone by the sample. Mixtures have also been made to understand and better understand the cocktail effects of metallic and metalloid elements. This integrated, multi-analytical and multi-scale approach is then the first step in a long process of understanding and predicting risks based on geochemistry and environmental mineralogy coupling.

Ce travail aborde l’étude d’une sélection de structures de combustion provenant de Régismont-le-Haut (Hérault, France) et des Bossats (Seine-et-Marne, France) en suivant une méthode multiscalaire. Ces deux sites de plein air livrent une documentation archéologique riche permettant de renseigner pour le premier une phase récente de l’Aurignacien et une phase ancienne du Gravettien, entre autres, pour le second. Du point de vue méthodologique, la démarche retenue implique de débuter par l’analyse des données de terrain (échelle macroscopique), de poursuivre les investigations grâce à la micromorphologie (échelles méso- et microscopique) et finalement d’avoir recours à la géochimie organique (échelle moléculaire). Afin d’affiner les clefs de lecture des résultats archéologiques et de proposer de nouvelles pistes de réflexion, un programme d’expérimentation a également été conduit. La mise en œuvre conjointe de ces différentes approches complémentaires dans l’optique de croiser leurs résultats et leurs hypothèses interprétatives fait notamment la part belle à la prise en compte de la matière organique présente dans les sédiments des structures de combustion. Les résultats obtenus permettent à la fois de mieux cerner les modes de fonctionnement et d’utilisation des différentes structures tout en prenant en compte leur évolution taphonomique. Les questions des aménagements, de l’intensité du fonctionnement, des types de combustible et de la fonction sont abordées dans le cas des structures primaires, les foyers, mais les structures secondaires apportent également des informations en ce qui concerne les activités d’entretien. La mise en perspective de ces résultats acquis sur deux sites particulièrement bien préservés permet une discussion plus large de la place des structures de combustion au début du Paléolithique supérieur, période pour laquelle les pyrotechnologies demeurent un domaine encore trop méconnu des comportements humains. / This study treats a selection of combustion structures from Régismont-le-Haut (Hérault, France) and les Bossats (Seine-et-Marne, France) using a multiscalar approach. These two open-air sites provide an extremely rich archaeological documentation of, respectively, a recent phase of the Aurignacian and an early phase of the Gravettian (among others). Methodologically the study entails treating three scales of analysis, beginning with field data (macroscopic scale), followed by micromorphological investigation (meso- and microscopic scales), and finishing with geochemical analyses (molecular scale). An experimental program was also developed in order to refine our tools for interpreting our archaeological datasets, as well as to propose novel avenues of reflexion. The concomitant application of these complementary approaches and subsequent cross-examination of their respective results underlines the important role of organic matter in the combustion structure sediments. The results obtained allow for a better understanding of fire structure operation and use, as well as the taphonomic evolution. For primary structures questions regarded additional construction of the structures, intensity of use, types of fuel, and their function, while secondary structures brought to the table information regarding maintenance activities. The contextualization of results obtained from these two particularly well-preserved sites allows us to reflect more widely upon the role of combustion structures in the Early Upper Palaeolithic, a period during which pyrotechnology remains a little explored sphere of human behaviour.