Cette thèse porte sur les possibilités que les méthodes d’imagerie géoélectrique offrent à la fois pour la caractérisation des processus géochimiques mais aussi pour l’étude d’interaction sol-racines. La ligne conductrice de ce travail, repose sur la position centrale de la qualité des sols et des interactions racines-sols dans de nombreux problèmes environnementaux. En effet, un nombre croissant d’études rapportent l’importance des interactions mutuelles entre les racines et le sol. Dans cette optique, cette thèse explore l’utilisation le développements approfondis de méthodes géoélectriques. Les processus physico-chimiques ainsi que les interaction sol-racines sont à l’origine de mouvement d’eau et de soluté, d’altération de la structure des sols ainsi que de perturbations biologiques. Les méthodes géoélectriques sont potentiellement sensibles à ces modifications hydrologique et biochimique. La méthode de Polarisation Provoquée Spectrale (PPS) a été combinée avec des analyses et des modélisations géochimiques permettant de connaitre sa sensibilité à la composition du fluide interstitiel (contenu dans l’espace poral), du pH et de la force ionique. Plus particulièrement, la signature PPS de la substitution Na+/Cu2+ a été analysée car il s’agit d’un critère pertinent traduisant la qualité d’un sol et reconnu mondialement. L’analyse PPS a été réalisée sur un sable (silicate) saturé et pour des concentrations typiques de Na+/Cu2+ que l’on trouve classiquement dans des sols exposés à des utilisations de pesticides au Cuivre (Cu). Les résultats ont montré que le pH et la force ionique ont été les variables prépondérantes contrôlant le signal PPS, alors que des effets négligeables sont liés à la substitution Cu/Na. L’utilisation simultanée d’analyses chimiques et géophysiques en laboratoire a permis de mieux caractériser les processus de complexation étudiés et d’appuyer considérablement l’interprétation des signaux PPS. Enfin, la tomographie de résistivité électrique et la méthode de Mise-A-La-Masse ont été combinées pour développer une nouvelle approche d'imagerie du chemin préférentiel emprunté par le courant électrique dans le système racines-sols. Etant donné que la conduction électrique dans le sol et les racines est principalement électrolytique, l'approche proposée repose sur le mouvement de l'eau et des solutés dans le système racines-sol. Le potentiel de la méthode pour son application in-situ a été testée à l’aide d’une série d’expériences sur une vigne. À la suite des résultats prometteurs, la méthode a été développée et appliquée lors d’une expérience en laboratoire portant sur la croissance racinaire dans un rhizotron de plantes de coton et de maïs. La méthode s'est révélée sensible aux différences physiologiques entre les espèces et éventuellement à la réponse de la plante aux facteurs de stress environnementaux. De nouvelles expériences contrôlant les variables physiologiques des tissus racinaires sont nécessaires pour une meilleure compréhension de leurs influences. Les développements technologiques récents soutiennent fortement la diffusion de l’imagerie et du suivi géoélectriques à l'échelle du terrain. Dans ce contexte prometteur, les résultats de cette thèse contribuent au développement d'approches géoélectriques pour l'étude du sol et de ses interactions mutuelles avec les racines des plantes à des échelles spatio-temporelles pertinentes. / In this thesis I investigate some of the possibilities offered by the use of geoelectrical methods for characterizing soil geochemical processes and root-soil interactions. The motivation for this thesis arises from the pivotal role of soil quality and root-soil interactions in manifold environmental issues. In addition, there is growing evidence of the importance of mutual interactions between roots and soil, for this reason this thesis explores the use of geoelectrical methods for more comprehensive approaches. Both soil physicochemical processes and root-soil interactions involve, among others, the movement of water and solutes, altercations of the soil structure, and biological feedbacks. Geoelectrical methods are potentially sensitivity to these hydrogeological and biogeochemical modifications. The Spectral Induced Polarization (SIP) method was combined with geochemical analyses and modeling in order to investigate its sensitivity to pore fluid composition, pH, and ionic strength. In particular, the SIP signature of Na+/Cu2+ substitution was investigated because of their worldwide relevance for soil quality. The SIP investigation focused on saturated silica, and explored concentrations of Na+ and Cu2+ that are typical to agricultural soils exposed to the use of Cu pesticides. The results showed how pH and ionic strength were the main variables controlling the SIP signals, while negligible effects were related to the Cu/Na substitution. The concurrent use of chemical and geophysical laboratory experiments allowed a better characterization of the investigated complexation processes and significantly supported the interpretation of the SIP signals. The Electrical Resistivity Tomography and the Mise-A-La-Masse methods were combined to develop a novel approach for imaging the electric current pathways in the root-soil system. Since the current conduction in soil and roots is mostly electrolytic, the proposed approach relates to the movement of water and solutes within the root-soil system. The potential of the method for field investigations was explored with a set of experiments on a grapevine. In light of the promising results, the method was further developed and applied to rhizotron laboratory experiments on cotton and maize plants. The method proved to be sensitive to inter-species physiological differences and possibly to the plant response to environmental stressors. New experiments with physiological analyses of root tissues are needed to elucidate these aspects. Emerging technologies are strongly supporting to the diffusion of imaging and monitoring geoelectrical applications at the field-scale. In this promising context, the results of this thesis contribute to the development of geoelectrical approaches for studying soil and its mutual interactions with plant roots over relevant spatiotemporal scales.

Cette étude définit le fonctionnement du système hydrothermal de la Léchère, grâce à une approche interdisciplinaire associant (1) géologie, (2) hydrodynamique, (3) hydrogéochimie et (4) modélisation hydrodynamique/thermique.<br />(1) L'accident tectonique, marquant le contact entre la couverture carbonatée et les micaschistes du socle, est jalonné par des écailles discontinues d'évaporites triasiques. A l'intersection entre cet accident et la vallée de l'Isère, les eaux thermales se diffusent dans l'ombilic glaciaire par l'intermédiaire d'un écroulement ancien, identifié par la réinterprétation des descriptions de forages.<br />(2) Le système thermal est caractérisé par la présence d'une zone décomprimée dans laquelle ont lieu les circulations superficielles et qui sert également de trop-plein au système profond. L'ensemble est alimenté de manière diffuse par l'infiltration des eaux de pluie et de manière ponctuelle par deux pertes sur le réseau hydrographique. Dans la zone d'émergence, les circulations resteront ascendantes tant que le niveau de l'aquifère thermal restera supérieur à celui de l'aquifère superficiel.<br />(3) Au début de leur parcours, les eaux thermales interagissent avec les dolomies, cargneules et gypses (Ca, SO4, Mg), au même titre que les eaux triasiques superficielles. Elles se différencient ensuite par un parcours profond de plusieurs milliers d'années, leur permettant d'interagir avec la halite (Cl), les roches métamorphiques (Si, K, échange Ca/Na) et les roches permo-carbonifères (matière organique, H2S), avant<br />de se mélanger avec les eaux superficielles de la zone d'émergence.<br />(4) La modélisation numérique couplée hydrodynamique / thermique a mis en évidence la chasse des eaux chaudes vers la vallée lors de la réactivation post-glaciaire des écoulements. La mise en exploitation de la ressource thermale accélère, toutefois de façon imperceptible à l'échelle d'observation, le refroidissement naturel de l'aquifère thermal.

Les zones de subduction représentent des zones d'évolution clés dans la compréhension des processus géologiques majeurs actifs sur notre planète. En particulier, la caractérisation et l'évolution des magmas générés dans les zones d'arcs océaniques et la relation entre leur genèse et les processus de croissance crustale sont des axes primordiaux. Cette étude est focalisée sur la portion d'arc océanique exhumée du Kohistan (Nord Pakistan) qui constitue un laboratoire exceptionnel pour appréhender cette problématique. Basée sur une approche géochimique multi-méthodes (éléments majeurs et en trace, isotopes), cette étude a permis d'établir : 1/ l'absence de relation génétique directe entre les roches ultrabasiques de la racine de l'arc et la section crustale sus-jacente. La formation de la séquence ultrabasique de Jijal se produit à ~117 Ma via une réaction de type magma-roche entre des liquides de type boninitique (appauvris en terres rares), et le manteau lithosphérique de type MORB-Indien ; 2/ un modèle géodynamique en trois stades majeurs résumant l'évolution de l'arc océanique et de la subduction sur une période d'environ 30 Ma. Ce modèle débute par l'initiation de la subduction et la formation de l'arc volcanique s.s. (1er stade) ; le 2ème stade correspond à un évènement thermique majeur. Il est représenté par un sous-placage important de magmas et une granulitisation intense de la base de l'arc. Le recyclage de la croûte inférieure cumulative et résiduelle, dans le manteau sous-jacent, se produit durant cette étape vraisemblablement suite à des processus d'érosion thermo-mécanique. Le dernier stade, entre 95 Ma et 85 Ma, scelle la fin du fonctionnement de la zone de subduction et correspond à une période amagmatique suivie par une brève reprise du magmatisme avant la collision de l'arc après 85 Ma. Enfin, une modélisation numérique comparative avec la croûte continentale globale met en évidence la composition significativement plus basique de la croûte de l'arc insulaire du Kohistan. De fortes similitudes sont en revanche observées entre la section d'arc étudiée et la croûte continentale inférieure.

Cette thèse a pour but d'améliorer notre compréhension des processus d'altération des roches mafiques silicatées, de la spéciation des éléments et de leur migration dans le milieu boréal (bassin versant de la mer Blanche, Nord-Ouest de la Russie). Les objectifs principales du travail sont i) de caractériser et décrire les mécanismes responsables de l'altération chimique et de la formation des minéraux dans la zone subarctique, ii) évaluer le rôle de la lithologie (environnement granitique versus basaltique) dans la spéciation des éléments traces (ET) et la formation des colloïdes organo-minéraux dans les eaux de surface des bassins versants boréaux des hautes latitudes, et iii) révéler la dépendance de la spéciation des ET en fonction du pH de la solution pour prédire des changements éventuels dans la bioaccumulation des éléments dans les eaux naturelles à cause de leur acidification. L'originalité de cette thèse est de combiner, pour la première fois sur les mêmes objets naturels, les techniques physico-chimique, minéralogique et isotopique afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions subarctiques.

La tenue à long terme d'un colis de verre de déchets nucléaires dépend fortement des réactions chimiques opérant au niveau des surfaces au contact de l'eau. Les études entreprises sur des colis de verre inactif fracturés indiquent que le réseau de fissures participe significativement à la surface réactive. Néanmoins, l'interprétation des données expérimentales disponibles, dont la complexité est liée à la méconnaissance du réseau de fissures et des conditions locales d'altération, ne permet pas d'appréhender l'ensemble des mécanismes physico-chimiques mis en jeu.<br />Une meilleure compréhension de ces mécanismes passe par l'étude du couplage chimie transport dans des objets simples : les fissures modèles. L'altération de ces fissures dans des conditions agressives (pH>11) montre que la configuration de la fissure (horizontale ou verticale) impose le mécanisme de transport prépondérant (respectivement diffusion ou convection associée à la gravité). Ce mécanisme convectif semble négligeable à des pH plus faibles. La vitesse convective est estimée via un modèle 1D de transport réactif.<br /> Deux autres paramètres ont été étudiés : l'influence d'un gradient thermique et celle de l'interconnectivité des fissures sur l'altération. Une rétroaction forte de la vitesse convective, induite par un gradient thermique, sur la cinétique d'altération est observée au sein de la fissure.<br /> Ces travaux ont abouti à la réalisation d'une expérience intégrale d'altération d'un réseau de 163 fissures soumis à un gradient thermique. <br />L'utilisation du code géochimique HYTEC dans le cadre cette étude révèle les bonnes potentialités du logiciel cependant le modèle cinétique d'altération reste à améliorer.

Les 93 échantillons selectionnés pour cette étude dans 3 massifs de l'ophiolite d'Oman sont représentatifs d'une zone d‘environ 5000km2 d'une paléodorsale rapide. En rapport avec la segmentation, l'échantillonnage comprend à la fois la lithosphère du nouveau segment (0 à 4km sous le moho), ses limites (zones de cisaillement) et la jeune lithosphère (1 à 2Ma) dans laquelle il s'ouvre, entre 0 et 12 km sous le moho.<br />*L'ensemble du manteau exploré est composé de péridotites très réfractaires, comparables à celles des autres ophiolites et aux péridotites abyssales. Néanmoins, il montre un enrichissement en éléments très incompatibles, impliquant une percolation réactive par des fluides, et une refertilisation partielle en clinopyroxène, comme le montre la présence de harzburgites riches en cette phase minérale.<br />*Le nouveau segment possède des caractéristiques chimiques supplémentaires, tel le rapport Cr# élevé (>50) des spinelles, qui n'apparaît pas spécifique des dunites ou d'un environnement géodynamique particulier, et la composition différente des pyroxènes, qui implique des températures de blocage plus élevées en relation avec un processus de percolation magmatique.<br />*La zone de transition à l'axe du nouveau segment s'identifie par l'importance des réactions liquide/roche qui concernent l'ensemble des lithologies : harzburgites, dunites et dunites imprégnées.<br />*Les limites du nouveau segment (zones de cisaillement) et la base de la nappe sont caractérisées par des textures porphyroclastiques BT (<1000°C) et des enrichissements en clinopyroxènes. Ceux-ci sont interprétés comme une cristallisation partielle de magmas associée à un front de percolation aux limites manteau convectif/manteau conductif.<br />*L'ensemble des faciès montre une contamination par l'eau de mer, impliquant des rapports du 87Sr et du 207Pb radiogéniques, largement acquise avant la serpentinisation (T>500°C).<br /><br />Cette étude met l'accent sur l'importance de la segmentation dans le contrôle des processus magmatiques et hydrothermaux aux dorsales rapides, notion qui permettra de progresser dans la compréhension de ces processus.

Le complexe du Mont Collon (nappe de la Dent Blanche, Austroalpin) est composé à 95% de roches mafiques cumulatives recoupées par des filons acides et mafiques tardifs (dikes mélanocrates Fe-Ti) se mettant en place dans la croûte moyenne. Des âges de cristallisation U/Pb sur zircons (284.2 ± 0.6 et 282.9 ± 0.6 Ma) ont été obtenus sur un gabbro et une pegmatitique quartzique. Les datations 40Ar/39Ar sur amphiboles des filons mélanocrates (260.2 ± 0.7 Ma) indique un second évènement magmatique. Les compositions des cumulats montrent peu de variations avec la lithologie et révèlent des anomalies négatives systématiques en Nb, Ta, Zr, Hf et Ti. Le manque de variation en éléments traces dans les cpx et la corrélation positive entre éléments traces des roches et le pourcentage modal d'amphibole tardive sont caractéristiques d'un processus de cristallisation in situ (Langmuir, 1989) impliquant de 0 à 35% de liquide interstitiel (L) entre les phases cumulus. Le liquide parental calculé des cumulats du Mont Collon est transitionnel et présente une forte anomalie négative en Nb-Ta. 2 groupes de roches cumulatives sont discriminés d'après leurs signatures en Nd-Sr, supposant de possibles réinjections magmatiques. Le Pb indique une source dans le manteau subcontinental lithosphérique, contaminé par des sédiments océaniques. Les dikes mélanocrates ont des eNdi de +7, des 87Sr/86Sri de 0.703 et des rapports en Pb indiquant une source asthénosphérique peu appauvrie. La fusion partielle du manteau lithosphérique subcontinental est induite par l'amincissement post-orogénique et la remontée de l'asthénosphère. Les filons tardifs proviennent de la fusion de l'asthénosphère.

Le Massif composite du Tichka a été étudié dans le but de préciser les mécanismes de sa formation, pour les raisons suivantes : il offre une coupe verticale de 2500m avec une qualité exceptionnelle d'affleurements qui permet de faire des observations et des échantillonnages en continu ; il montre une gamme de composition allant des gabbros aux leucogranites avec des relations spectaculaires entre les diorites et les granitoïdes contemporains. Les études de terrain, pétrographiques, minéralogiques, géochimiques, isotopiques (Sr et Nd) ont été utilisées pour mieux cerner sa genèse. De plus, l'étude des structures magmatiques et des propriétés rhéologiques des magmas a permis de mieux comprendre le mode d'ascension et de mise place du pluton. Le modèle génétique ainsi proposé peut être appliqué à d'autres associations plutoniques comparables, d'âges et d'environnements géotectoniques variés. Le Massif du Tichka s'est mis en place il y a 291 ± 5 Ma (isochrone Rb-Sr sur roches totales) dans des séries cambriennes au Nord de l'accident du Tizi n'Test (N70), branche de la faille Sud-Atlasique. La profondeur de cette mise en place a été estimée, par barométrie sur les amphiboles des plutonites, à 7 km environ, en accord (1) avec les estimations des épaisseurs de la pile sédimentaire encaissante et (2) avec les conditions thermobarométriques de développement des minéraux, par métamorphisme de contact, à proximité immédiate du pluton. Sur l'ensemble du massif, cinq groupes de roches ont été identifiés sur la base de critères de terrain, pétrographiques et géochimiques : gabbros, diorites (subdivisées en méladiorites, diorites communes et diorites hétérogènes), granodiorites-tonalites, monzogranites, leucogranites (subdivisés en leucogranites à biotite ± amphibole et leucogranites à deux micas). Toutes ces roches, mis à part les leucogranites à deux micas plus jeunes, sont contemporaines. L'étude des structures acquises' à l'état magmatique montre que: (1) le complexe est constitué de trois intrusions composites, à géométrie bien définie, sub - contemporaines, limitées au Sud par des écrans d'encaissant méta-volcanosédimentaire, et d'une intrusion de leucogranites à deux micas, localisée dans le Nord-Est, légèrement plus tardive et à géométrie mal définie; (2) la source magmatique a migré au cours du temps du Sud-Ouest vers le Nord-Est; (3) le mouvement de la composante décrochante dextre de l'accident du Tizi n'Test était -relativement faible par rapport à la composante inverse au moment de la mise en place; (4) les parties internes du massif montaient plus vite que, les parties externes lors de l'ascension des intrusions; (5) l'intrusion de leucogranites à deux micas, la plus récente, est constituée de petits corps diapiriques rassemblés autour du diapir kilométrique du Tasghimout; elle s'est mise en place alors que les autres intrusions étaient déjà cristallisées mais pas entièrement refroidies. Les études pétrographiques, minéralogiques, géochimiques, isotopiques (Sr et Nd) ont permis de proposer le type de genèse suivant: deux magmas basiques issus du manteau sous-continental par des taux de fusion différents, se mettent en place successivement en base de croûte. Le premier cristallise rapidement en évoluant peu et pratiquement sans contamination; il donnera le groupe des gabbros. Le second est soumis à un processus complexe qui allie cristallisation fractionnée et contamination (AFC) par la croûte. Il formera le groupe des diorites. La montée de ces magmas et de l'anomalie thermique qui les accompagne induit la fusion de la base de la croûte de nature hétérogène et litée. Cette croûte a été injectée de magmas basiques à intermédiaires peu de temps avant sa fusion. Son anatexie génère des magmas de composition granodioritique et monzogranitique. Le magma monzogranitique évolue par cristallisation fractionnée jusqu'à des leucogranites à biotite ± amphibole. Les magmas dioritique et granodioritique sont rassemblés à la profondeur de 15 à 20 km dans une chambre magmatique où une stratification est obtenue par convection et instabilité gravitaire et où des échanges entre les magmas, qui commencent à cristalliser, ont probablement eu lieu mais de façon limitée. Les leucogranites à deux micas qui forment l'essentiel de l'intrusion Nord-Est sont des granites de type S formés par anatexie de la croûte supérieure. Ils se mettent en place tardivement alors que le bâti avait un comportement cassant. La fin de l'activité magmatique est marquée par une activité hydrothermale localisée et par la mise en place de filons doléritiques. Le Massif du Tichka est de type calédonien post collision; les roches basiques qui le composent ont des caractères de basaltes intraplaques continentales plus précisément transitionnels et les granitoïdes ont des traits de granites post-collision. L'association du Tichka est de, type cafémique métalumineuse, transitionnelle à tendance suba1caline sodique. Les leucogranites à deux micas appartiennent au domaine alumino-potassique. Les calculs des densités et des viscosités des magmas montrent que (1) leur montée a pu se faire sous forme diapirique, (2) le magma dioritique a une viscosité plus faible (104 poises) que le magma granodioritique (106 poises) et (3) les viscosités peuvent s'inverser au cours de la cristallisation vers des températures de 850°C. L'évolution des viscosités au cours du refroidissement et l'inversion de leur courbe, permettent d'expliquer toutes les figures observées aux interfaces entre les diorites et les granodiorites synchrones. L'accident du Tizi n'Test (de direction N70) et, dans une moindre mesure, la zone faillée ouest-atlasique (subméridienne), à proximité desquels le Massif du Tichka s'est mis en place, ont joué un rôle important dans la genèse du pluton. Le premier a permis, en effet, par décompression adiabatique et introduction d'eau, la fusion du manteau et a facilité la montée des magmas basiques. Cette genèse est intracontinentale dans un bloc émergé (ou presque) depuis le Tournaisien ; elle se déroulerait dans cette période charnière entre la collision (épaississement) continentale carbonifère et la distension permienne. Par son histoire complexe impliquant des intrusions emboîtées multiples, des sources magmatiques nombreuses, des processus de genèse variés, le Massif du Tichka présente des affinités avec d'autres massifs hercyniens au Maroc ou ailleurs dans la chaîne varisque ouest européenne.

Les Cordillères nord-américaines sont constituées de blocs exotiques accrétés au craton nord-américain depuis le Paléozoïque jusqu'au Mésozoïque. Le "Guerrero terrane" qui forme la quasi-totalité de l'Ouest du Mexique est composé essentiellement de séquences d'arc du Jurassique supérieur-Crétacé inférieur, généralement considérées comme engendrées dans un environnement de marge active, lié à la subduction du paléoPacifique sous le craton nord-américain. Les ensembles plutono-volcaniques d'arc du "Guerrero terrane", pour la plupart basiques, sont associés à des environnements sédimentaires variés: pélagique, néritique et sub-aérien. Ils ont des affinités tholéïtique, calco-alcaline et shoshonitique, avec des rapports eNd élevés. Ces caractéristiques favorisent une origine intra-océanique pour ce "Guerrero terrane" au substratum mixte (croûte océanique et blocs continentaux). L'étude géochimique des basaltes, fondée sur les éléments traces incompatibles et les isotopes du Nd, montre qu'ils proviennent de la fusion partielle de sources mantelliques N-MORB, enrichies ou non par un composant OIB, et plus ou moins contaminées par des sédiments pélagiques ou terrigènes. La nature intra-océanique des séries d'arc du "Guerrero terrane", corrélée à l'absence de matériel volcanique dans les calcaires contemporains présents sur le craton nordaméricain impliquent l'existence d'un domaine océanique qui séparait le "Guerrero terrane" de la plaque nord-américaine au Crétacé inférieur. Plusieurs témoins de ce domaine représentés par des basaltes associés à des sédiments pélagiques du Crétacé inférieur ont été découverts le long du chevauchement majeur à vergence Est né du collage par collision du "Guerrero terrane" avec la marge nord-américaine, à la fin du Crétacé inférieur. Ainsi l'arc du Guerrero serait lié à la subduction de ce domaine océanique, décrit sous le nom de bassin d'Arperos, sous le paléo-Pacifique. Des données pétro-géochimiques sur les basaltes du bassin d'Arperos indiquent qu'ils dérivent probablement du mélange entre deux sources: OIB et N-MORB. Ces basaltes témoigneraient de la présence, dans ce bassin, d'un point chaud localisé à proximité d'une ride asismique.

L'ophiolite d'Oman montre une séquence complète qui permet de bien comprendre les modalités de l'accrétion, la dynamique des magmas et l'évolution tectonique et magmatique au niveau de la palèodorsale téthysienne. L'étude faite à partir d'une étude détaillée des lithofaciès a consisté a compléter les travaux antérieurs du massif de Fizh (partie septentrionale de l'ophiolite d'Oman)