L’archipel volcanique actif du Vanuatu s’édifie au coeur du pacifique sud-ouest au niveau de la frontière convergente des plaques australienne et pacifique. Je présente ici une nouvelle étude géochimique des laves du Vanuatu à partir de la détermination des compositions en éléments majeurs et traces, et des compositions isotopiques (Sr-Nd-Hf-Pb) d’une centaine d’échantillons de laves (< 2 Ma).L’étude des magmas les plus primitifs a permis de mettre en évidence la variation de composition des sources mantelliques le long de l’arc et d’individualiser 3 segments : "central", dans la zone de collision de la ride D’Entrecasteaux, "sud" en face du bassin Nord Fidjien, et "extrême sud" en face du bassin Sud Fidjien. La composition des roches des différentes structures subductées influence celles des laves des volcans adjacents via le composant de subduction, sous forme de fluides et de produits de fusion. Les laves des îles situées en face de la ride D’Entrecasteaux sont issues d’un manteau enrichi ("type-MORB indien"), différent de celui échantillonné par les autres laves ("type-MORB pacifique"). Cette ride apporte probablement en subduction un composant ancien, pouvant être assimilé à un fragment de croûte inférieure.L’étude locale de certaines îles a permis de caractériser la différenciation des laves par cristallisation fractionnée, d’identifier des processus d’assimilation crustale, et de révéler la présence de magma provenant de portions de manteau distinctes, ayant subi un métasomatisme différent.Ces travaux révèlent une extrême hétérogénéité du manteau sous l’arc du Vanuatu, témoignant de la complexité des processus géologiques impliqués au niveau de cette zone de subduction. / The Vanuatu island arc is located in the SW Pacific at the convergent boundary between the Australian and Pacific plates. I present here a new geochemical study of the Vanuatu lavas based on major and trace element as well as isotopic (Sr-Nd-Hf-Pb) analyses of approximately one hundred lava samples (< 2 My).Examination of the most primitive magmas reveals the variation of the mantle source composition along the arc and demarcates three segments: a "central" segment in front the d’Entrecasteaux ridge, a "south" segment in front of the North Fiji Basin, and a "far south" segment in front of the South Fiji Basin. The composition of the different subducted basins highly influenced those of the adjacent volcanoes via mass transfer of aqueous fluid and melt subduction components. Lavas from islands facing the D'Entrecasteaux Ridge come from an enriched mantle (Indian MORB-like), distinct from that sampled at other islands (Pacific MORB-like). Additionally, this ridge likely carries with it an ancient component that may reflect entrainment of lower crust material.Localized study of some volcanic islands reveals processes related to the differentiation of lavas by fractional crystallization, processes related to crustal assimilation, and indicates the presence of magma coming from different portions of mantle with slightly different metasomatic histories.This body of work highlights extreme mantle heterogeneity under Vanuatu islands arc and testifies to the complex nature of its associated geological processes.

Cette thèse propose une méthodologie pour caractériser et intégrer les distributions minéralogiques des dépôts de l’Eocène Inférieur du Bassin de Graus-Tremp-Ainsa dans un cadre séquentiel reconstruit à haute résolution. Le couplage des approches stratigraphiques et géochimiques/minéralogiques permet d’évaluer la part des forçages tectoniques, climatiques, eustatiques et diagénétiques sur l’enregistrement sédimentaire et minéralogique du bassin. La caractérisation de la minéralogie repose sur un calcul automatisé utilisant la géochimie multi-élémentaire et calibré ponctuellement par les outils d’analyse minéralogique conventionnels (pétrographie, DRX, Qemscan, microsonde). Elle a l’avantage de permettre de traiter les évolutions minéralogiques à l’échelle du bassin et sur l’ensemble des lithologies rencontrées. Après avoir évalué les effets de la diagenèse, du tri hydrodynamique et reconstitué la composition minéralogique primaire des sédiments, nous caractérisons les différentes sources.Nous précisons l’évolution de la tectonique (avec un pas de temps de l’ordre du million d’années) et ses effets sur l’architecture sédimentaire et la minéralogie des dépôts. Ceux-ci montrent un contrôle spatial de la diagenèse et des changements spatio-temporels des sources, liés à une compétition entre la tectonique intrabassinale (activité des chevauchements locaux) et régionale (surrection de l’orogène et subsidence flexurale). Nous montrons également que l’impact de la tectonique est modulé par des anomalies climatiques ponctuelles de l’ordre de la centaine de milliers d’années (PETM, ELMO, X-Event), que nous avons reconnues par un changement marqué des environnements de dépôt et des cortèges argileux.Deux grands épisodes régionaux caractérisent l’évolution du Bassin piggyback de Graus-Tremp-Ainsa. Le stade précoce, d’âge Ilerdien-Cuisien Inférieur, est marqué par le passage d’une rampe carbonatée mixte à des systèmes deltaïques alimentés depuis l’orogène pyrénéen par des contributions plutoniques. Cet ensemble passe ensuite à un vaste système fluvio-deltaïque au Cuisien Inférieur / Moyen, montrant l’apport de lithiques carbonatés et silicoclastiques qui coïncide avec l’émergence des nappes sédimentaires. La fin de cet épisode est marquée par la propagation du chevauchement du Montsec et de ses rampes latérales, provoquant un partitionnement du bassin, induisant la surrection du Bassin de Graus-Tremp et une forte subsidence du Bassin d’Ainsa. Ce contraste de subsidence est souligné par un partitionnement de la diagenèse, avec une kaolinisation des formations supérieures du Bassin de Graus-Tremp, liée à la percolation d’eaux météoriques, et, dans le Bassin d’Ainsa, une albitisation des grès couplée à une illitisation des smectites dans les lutites, liée à une diagenèse d’enfouissement plus marquée. / We develop here a methodology to integrate the mineralogical record into a high resolution sequence stratigraphic framework realized in the Early Eocene Graus-Tremp-Ainsa Basin. Coupling stratigraphic with geochemical and mineralogical approaches allows us to unravel the effects of tectonics, climate, eustasy and diagenesis on basin architecture and mineralogy. An automated computed mineralogy is derived from whole-rock geochemical data, and calibrated against direct mineral quantifications (petrography, DRX, Qemscan, microprobe). It provides a basinscale view of mineral distribution, irrespective of the lithology. Diagenetic overprint and hydrodynamic sorting effects are evaluated first, then primary mineral distributions are reconstructed and ascribed to different types of sediment sources.We show that, at the million-year timescale, tectonics shape the architecture and the mineralogy of the deposits. Spatially distributed diagenesis and temporal and spatial changes in sediment sources reflect the competing effects of intrabasinal tectonics (local thrust displacements) versus basinscale flexural subsidence linked to the orogen uplift and loading. Tectonically-driven changes are also sensitive to higher frequency (100 ky) anomalic climatic events (PETM, ELMO, X-EVENT) leaving a mineralogical signal in clay fractions and environment deposits succession.The basinscale evolution displays two contrasting stages. During the Ilerdian to the lower Cuisian, a mixed carbonate ramp evolves to a set of deltaic fans of Northern (Pyrenean orogen) provenance delivering plutonic-dominated materials. Then, during the lower/mid Cuisian, they are overprinted by a large fluvial and deltaic system bringing recycled carbonates and siliciclastics sourced in the emerging eastern to southern sedimentary thrust sheets. Later on, the propagation of the Montsec thrust and its lateral ramp decouples the uplifted Graus-Tremp basin from the strongly subsiding Ainsa basin. These different subsidizing schemes are underlined diagenetic overprints diverge, with an extensive kaolinisation of the uppermost units in the Graus-Tremp Basin driven by meteoric fluid circulations, and a severe albitisation of sandstones in the Ainsa basin, coupled with the illitisation of smectites in the lutites and caused by deep basinal fluids.

Cette étude a été dédiée au développement d’une nouvelle approche de modélisation de la phytodisponibilité des éléments traces. Cette approche a été employée pour prédire l’adsorption du cuivre (Cu) sur des racines de blé et de tomate. Plusieurs techniques analytiques (titrages acido-basiques, résonance magnétique nucléaire, spectroscopie d’absorption X) ont été employées et croisées avec des résultats de modélisation. Dans un premier temps, la réactivité des racines a été caractérisée. Les racines étant constituées de parois apoplasmiques et de membranes plasmiques, la contribution respective de ces deux compartiments végétaux aux propriétés de complexation des racines a été évaluée. L’étude a ensuite été focalisée sur la complexation du Cu au sein des racines et sur l’évolution de cette complexation en fonction des conditions physico-chimiques du milieu. Grâce aux résultats obtenus sur la caractérisation des racines et à l’acquisition d’un jeu varié de données expérimentales sur la complexation du Cu, le modèle a pu être paramétré. Il a été montré que les propriétés de complexation des racines de blé et de tomate proviennent conjointement des membranes plasmiques et des parois apoplasmiques. La spéciation du Cu au sein des racines était partagée entre les composés pectiques des parois apoplasmiques et les protéines enchâssées à la fois dans les parois apoplasmiques et les membranes plasmiques. Un modèle propre aux racines a pu être développé sur la base d’un modèle existant dédié à la réactivité des substances humiques. Le modèle WHAM-THP, présenté dans cette étude, est un premier pas vers un nouvel outil d’évaluation de la phytodisponibilité des éléments traces. / This study has been dedicated to the development of a new modeling approach of trace element phytoavailability, focusing on binding reactions between trace element and plant roots. This approach was used to predict copper (Cu) adsorption on wheat and tomato roots. Several analytical techniques (acid-base titrations, nuclear magnetic resonance of carbon 13, X-ray absorption spectroscopy) were used and crossed with modeling results. At first, plant root reactivity was characterized. Because plant roots are consist of cell walls and plasma membranes, the relative contribution of these two compartments in root binding properties was evaluated. The study was then focused on Cu binding reactions on roots and the effects of physico-chemical conditions (pH, ionic strength, presence of cations) on copper binding. The model has been set thanks to results on root characterization obtained and the acquisition of a set of experimental data on Cu binding. It has been shown that binding properties of wheat and tomato roots came from both cell walls and plasma membranes. Copper speciation in roots was shared, almost evenly, between cell wall pectic compounds and proteins embedded in cell walls and plasma membranes. A model, specific to plant roots, has been developed on the basis of a current model dedicated to the humic substances reactivity. The WHAM-Terrestrial Higher Plants model presented in this study is a first step towards a new tool for assessing the availability of trace elements for plants.

Le Permien et le Trias (ca. 300 à 200 Ma) sont caractérisés par une réorganisation globale de la dynamique des enveloppes externes de la Terre et en particulier de la biosphère qui traverse l'une de ses plus grandes crises à la transition entre le Permien le Trias. L'évaluation du rôle du domaine Est Téthysien (actuelle Asie du Sud Est) dans les perturbations des enveloppes externes est mal établie en raison d'une mauvaise compréhension de son évolution paléogéographique au Permien et au Trias. Des éléments nouveaux sur la paléogéographie et l'évolution géodynamique du domaine Est Téthysien ont été déduits d'analyses sédimentologiques, géochronologiques et géochimiques réalisées dans les bassins sédimentaires de Luang Prabang (Laos), Sam Nua et Song Da (Nord du Vietnam). Ces études ont montré qu'un ensemble continental majeur du domaine Est Téthysien, le bloc Indochinois, est bordé par deux zones de subduction au Permien supérieur et au Trias inférieur, puis entre en collision avec le bloc Chine du Sud au Trias moyen tandis que le fonctionnement de l'autre zone de subduction, au niveau du Bassin de Luang Prabang, se poursuit jusqu'au Trias supérieur. Les arcs magmatiques liés à la présence des zones de subductions représentaient alors probablement des reliefs topographiques importants dans une zone située à faible latitude. La présence d'un écosystème continental relativement diversifié au Trias inférieur dans le Bassin de Luang Prabang suggère que ces reliefs aient pu constituer des zones refuges favorables au maintient et/ou au renouvellement de la biosphère lors de la crise biologique permo-triasique. / The Permian and the Triassic (ca. 300 to 200 Ma) are characterized by a global change that has impacted the hydrosphere, the atmosphere and especially the biosphere that has underwent one of its biggest crisis at the permian-triassic boundary. Assessing the role of the East Tethyan domain (present day South East Asia) in the reorganization of the biosphere is hampered by a poor understanding of its paleogeographic evolution. Examination of the Luang Prabang Basin (Laos) Sam Nua and Song Da Basin (Vietnam) using sedimentological, geochronological and geochemical analysis brings new information about the geodynamic evolution of the Indochina bloc. These studies revealed the existence of two subduction zones bordering the Indochina bloc during the Late Permian and the Early Triassic, followed by a collision with the Indochina bloc during the Middle Triassic while the other subduction zone was still active up to the Late Triasic. The magmatic arcs related to the subduction zones might have representedimportant topographic heights in an area located at a low latitude. The occurrence of a rather diversified continental ecosystem in the Luang Prabang Basin during the Lower Triassic suggests that these topographic heights could have formed a refuge zone suitable to the maintaining and/or the recovery of the biosphere during or slightly after the Permian-triassic biotic crisis.

L’Archéen, de 4 à 2,5 Ga, est la période qui a connu les plus grands bouleversements géologiques et biologiques de l’histoire de la Terre : formation des continents, transition d’une tectonique à composante verticale vers une tectonique des plaques horizontale, apparition de la vie, … Le but de cette thèse est d’étudier les conditions environnementales de la Terre à l’Archéen, par l’analyse des compositions isotopiques de métaux de transition (Fe, Zn) de roches provenant principalement de la province d’Isua au Groenland (3,8 Ga). Après avoir adapté le protocole de séparation du Fe, Cu, Zn à des échantillons riches en Fe, nous avons acquis les données par spectrométrie de masse à source plasma et à multicollection MC-ICPMS. Nous nous sommes d’abord intéressés au processus de serpentinisation de la croûte océanique, réaction produisant à la fois des nutriments pour la vie (CH 4 , H 2 ) et des minéraux catalyseurs (mackinawite) de la formation abiotique d’acides aminés, molécules du vivant. L’affleurement d’Isua comporte une unité ophiolitique présentant les serpentinites les plus anciennes (3.81-3.70 Ga) : leur analyse permet d’appréhender la réaction de serpentinisation à l’Archéen. Les résultats obtenus pour la composition isotopique du zinc dans ces roches et dans des serpentinites modernes ont permis d’établir une correspondance entre le processus de serpentinisation à Isua et la mise en place de volcans de boues de serpentinites à l’aplomb de la fosse des Mariannes. Nous avons ainsi pu identifier Isua comme une zone d’arrière-arc de subduction océanique, lieu d’une serpentinisation produisant des fluides de température variable (100-300°C) et de pH alcalin (9-12). Nous montrons que cette configuration atypique réunissant serpentinisation, fluides alcalins et édifices volcaniques est favorable à l’émergence du vivant. Nous avons ensuite analysé de nombreux échantillons de formations de fer rubané (BIFs), sédiments propres à l’Archéen et au début du Protérozoïque. L’évolution de la composition isotopique du zinc de ces échantillons au cours du temps a permis d’établir une chronologie de l'émersion des continents.Nos résultats sont en faveur d’une émersion débutant il y a 2,9 Ga. Enfin, nos données nous informent sur la colonisation des continents émergés par la vie à 2,6 Ga et sur la pédogenèse de sols archéens comportant un horizon organique. / During the Archean (4 to 2.5 Ga ago), the Earth experienced the biggest changes in terms of geological and biological settings – continental growth, transition from sagduction towards purely horizontal plate tectonics, emergence of life, … The purpose of the present study is to better understand the archean earth environment by measuring the isotopic composition of transition metals – Zn, Fe – of archean rocks. Most of the samples belong to the Isua supracrustal belt, in Greenland, dated 3.8 Ga. The chemical extraction protocol of Fe, Cu, Zn was adapted to our Fe-rich samples and isotopic analyses were conducted by multicollection inductively coupled plasma mass spectrometry. The serpentinization of the oceanic crust produces fuels for life (CH 4 , H 2 ) and mackinawite, which catalyses formation of complex organic compounds. Serpentinization may thus provide a suitable environment for the emergence of the first biomolecules. We analysed the oldest known serpentinites from Isua (3.81-3.70 Ga) to comprehend the archean serpentinization process. The isotopic compositions of zinc reported in this samples and in modern serpentinites attest to a strong similarity between Isua and the Mariana serpentinite mud volcanoes. We identified Isua as an oceanic forearc environment permeated by high-pH (9-12) hydrothermal solutions at medium temperature (100-300°C). We show that such an environment could have fostered the emergence of early life. We also analyzed several banded iron formations (BIF), which are sediments limited to the Archean and Proterozoic. The temporal evolution of these samples' isotopic composition shows a close relationship with the continental freeboard. Our results support the continental emersion starting 2.9 Ga ago. Besides, we identified the life colonization of continents at 2.6 Ga together with pedogenesis of archean soils with an organic horizon.

Le climat asiatique est aujourd'hui caractérisé par une forte dualité entre un climat de moussons au Sud-Est et un climat aride en Asie centrale. Ces climats sont tous les deux définis par une saisonnalité marquée, que ce soit en terme de précipitations pour le premier ou de températures pour le second. Si l'intensification des moussons asiatiques au Néogène, liée à l'influence du soulèvement final du plateau tibétain sur les climats asiatiques, semble faire consensus dans la communauté scientifique, la caractérisation des climats paléogènes est encore peu établie. Ainsi la question de savoir quand cette dualité climatique s'est installée en Asie reste encore ouverte. Au Paléogène, les reliefs liés à la collision entre les plaques indienne et eurasiatique étaient encore naissant et la distribution entre les terres et les mers très différente de l'actuelle. Notablement, une vaste mer épicontinentale et peu profonde (la Proto-Paratethys) s'étendait à travers l'Europe et l'Asie Centrale. À la fin du Paléogène, la Proto-Parathetys se retire de l'Asie Centrale, et les hautes topographies asiatiques se mettent en place. Dans ce contexte géodynamique, cette thèse cherche à caractériser les fluctuations à haute fréquence du climat en Asie Centrale afin de comprendre l'évolution de la saisonnalité au cours du Paléogène, et plus précisément pendant la période de l'Éocène (-55 à -34 Ma). Pour cela une approche originale utilisant une méthode géochimique multi- proxy sur des coquilles d'huîtres a été établie. Grâce à l'apport de l'analyse incrémentielle de marqueurs élémentaires et isotopiques sur les coquilles nous accédons aux variations saisonnières de la température et de la salinité de l'eau de mer. Ceci nous permet de mieux cerner les bilans hydriques et thermiques à l'échelle de l'année et ainsi de caractériser le climat d'Asie Centrale à très haute résolution. Combinant cette approche géochimique avec une étude sédimentologique et une étude numérique à plus grande échelle, cette thèse cherche à mieux établir les causes de l'évolution du climat régional au cours du Paléogène. / The modern Asian climate is mainly characterized by a monsoonal duality between humid summers in southern and eastern Asia and arid winters in Central Asia resulting in a strong seasonality in terms of precipitation and temperature in these respective regions. Although Neogene monsoonal intensification - mainly attributed to Tibetan plateau uplift - is well established, Paleogene Asian climate is still poorly understood such that the question of how and when this climate duality was established remains open. During Paleogene times, paleoreliefs due to the ongoing Indo-Asia collision and the land-sea distribution were very different compared to modern. Notably, a shallow epicontinental sea (the Proto-Paratethys) covered part of Europe and Central Asia. During the Eocene (-55 to -34 Ma), the Proto-Paratethys retreated westward while high Asian topographies formed. In this peculiar context, this PhD thesis aims to characterize the evolution of high-frequency climatic fluctuations in Central Asia in order to better constrain the seasonality changes associated with sea retreat, topographic uplift or nascent monsoons. We develop a novel approach using a geochemical multi-proxy methodology on oyster shells. Thanks to incremental analyses of elements and isotopes on bivalve shells, we estimate seasonal variations of temperature and salinity in seawater at high resolution. This enables to constrain precisely the annual-scale water and thermal balances and, by applying this technique to successive oyster bearing deposits widely distributed over Central Asia, aims to characterize Central Asian climate evolution. Combining this geochemical approach with a sedimentological and a numerical studies at larger time- and geographic- scale, this PhD thesis is aiming at better understanding the causes of the Eocene regional climate evolution.

Des structures prismées sont fréquemment observées dans les coulées de lave comme la Chaussée des Géants (Irlande). Plusieurs théories existent pour expliquer ces formations, dont la plus répandue est celle de la contraction thermique. Or cette théorie permet difficilement de comprendre certaines observations de terrain comme la séparation fréquente des coulées en plusieurs niveaux. Afin de mieux comprendre la structuration au sein des coulées basaltiques, nous avons procédé à une étude pluridisciplinaire basée sur les propriétés magnétiques, les variations structurales et géochimiques de deux coulées prismées du Massif Central (La Palisse, Ardèche et Saint-Arcons-d’Allier, Haute-Loire). Notre approche permet de montrer que les fabriques cristallographiques et magnétiques sont gouvernées par l’écoulement de la lave. L’orientation du plagioclase contrôle la distribution des titanomagnétites à l’origine des fabriques magnétiques. Notre étude montre également que l’utilisation de l’ASM est un outil fiable pour déterminer l’orientation de l’écoulement à condition d’être contrôlée par des mesures de fabriques cristallographiques. Les mesures de la quantité d’eau et les analyses isotopiques (H et O) montrent que l’effet de l’altération météorique est faible et que l’eau contenue dans la roche est essentiellement de l'eau de constitution. De plus, à l’échelle du prisme, des variations de deuxième ordre sont observées comme celle des paramètres d’hystérésis qui indique des tailles de grains de titanomagnétites plus importantes vers le centre. Ces variations au sein du prisme semblent difficilement compatibles avec une structuration des coulées par la simple contraction thermique. / Columnar jointing is frequently observed in lava flows, as in the Giant Causeway (Ireland). The most common theory explaining the formation of prisms is by the thermal contraction. However, this theory hardly explains some field observations such as the frequent existence of three parts within the lavas flows, from the base to the top. To complete our understanding of the structuring lava flows, we carried out a multidisciplinary study based on the magnetic properties, structural and geochemical characterization of two basaltic flows from the French Massif Central (La Palisse, Ardèche and Saint-Arcons-d'Allier, Haute-Loire). Our approach shows that crystallographic and magnetic fabrics are governed by the flow. The distribution of titanomagnetite grains carrying the magnetic fabrics is mainly controlled by the plagioclase orientation. Our study also shows that the use of the AMS to determine the flow direction is a reliable tool, provided punctual control by measurements of crystallographic fabrics are performed. Measurements of the water content and isotopic analyses (H and O) show a limited weathering effect in the studied areas: rock water is mostly primary water in equilibrium with the magma. Moreover, second order changes are noted across the prism section such as hysteresis parameters associated to grain size variation of titanomagnetite (larger grains in the center). The variations of magnetic properties across the prism section suggest a gradient of the crystallization rate from the center to the edge of the prism, which seems difficult to reconcile with the structuring of the flow by thermal contraction only.

La contamination par les hydrocarbures peut altérer les propriétés physicochimiques et biologiques du sous-sol, par conséquent le diagnostic et l’évolution des contaminants peuvent être surveillés en couplant les analyses géochimiques et les techniques géophysiques. Dans ce travail, différentes méthodes géophysiques de sub-surface telles que la tomographie de résistivité électrique, la polarisation induite, le géoradar et le potentiel spontané ont été utilisées d’une manière combinée pour localiser les zones impactées par les hydrocarbures du site de l’ancienne raffinerie de Petit Couronne. Les investigations géophysiques par la tomographie de résistivité électrique en 2D ont révélés la présence des anomalies de fortes valeurs de conductivité et chargeabilité électrique associés aux zones contaminées de l’aquifère. Les résultats obtenus avec les profils d’ERT et IP indiquent que la contamination a modifié les parties capacitives et ohmiques de la conduction électrique dans les sédiments contaminés. Cette signature très conductrice des zones contaminées est due aux processus de biodégradation des hydrocarbures qui minéralisent les eaux de l’aquifère. Les panaches d’hydrocarbures ont été identifiés sur les profils de géoradar par une forte atténuation des amplitudes de signaux électromagnétiques. Les profils de potentiel spontané ont aussi fourni une cartographie spatiale des zones contaminées par leurs signatures électriques négatives qui est associées aux processus d'oxydoréduction et biodégradation à l’interface entre la zone non saturée et saturée. Une carte de potentiel redox a été reconstruite à partir de l'inversion des données résiduelles de potentiel spontané grâce au calcul des composantes de la densité du courant électrique. La contribution redox dans l'aquifère contaminé s'explique par des dipôles verticaux répartis sur la frange capillaire juste au-dessus de la nappe phréatique, en favorisant le mécanisme de la biogéobatterie sur ce site. L’ensemble de ces résultats ont été confirmés par les mesures géochimiques menées au niveau des forages. L'étude a montré que les altérations biologiques des hydrocarbures ont modifié les propriétés chimiques de l'eau porale et que l'étendue de la contamination des eaux souterraines peut être délimitée à partir du contraste géophysique observé entre les zones contaminées et les zones non contaminées. La combinaison des différentes méthodes géophysiques avec des analyses géochimiques ponctuelles au niveau des forages ont permis de mieux comprendre les différents processus qui sont à l’origine de modifications des propriétés biogéochimiques dans les sols et les eaux souterraines. / The presence of hydrocarbon contamination in the subsurface can modify the physiochemical and biological properties of soil and groundwater. The sensitivity of geophysical methods to biogeochemical changes occurring in contaminated media can be used to monitor hydrocarbon contamination in a fast and inexpensive way. As such, geophysical methods including, electrical resistivity tomography, induced polarization, ground penetrating radar, self-potential and magnetic susceptibility were used in this work to characterize the hydrocarbon contamination and investigate its effects on the soil and groundwater geophysical and geochemical properties at a site impacted by an aged hydrocarbon plume. The geophysical response to hydrocarbon contamination varies according to factors related to the contaminant in question and to the contaminated environment. Therefore, to achieve a better interpretation, the field geophysical data were constrained by geochemical soil boring data which showed that biodegradation is occurring in the site. This was shown through observing elevated total dissolved solids concentrations, elevated groundwater electrical conductivity values, negative redox potential values and depleted terminal electron acceptors concentrations in the contaminated locations. Throughout the investigation, the geophysical measurements supported the conductive model and consistently recorded low resistivity anomalies, high chargeability values and attenuated GPR reflections in the contaminated zones. Additionally, significant negative self-potential anomalies associated with oxidation-reduction processes coupled to the biodegradation of hydrocarbons were recorded in the groundwater contaminated zone. Based on this observation, a redox potential map of the contaminated site was constructed by the inversion of the field self potential data. Throughout the process, a groundwater model was first calibrated to remove the electrokinetic component from the SP signal. Then, the obtained residual self potential data was inverted for the electrical current density by using an inversion algorithm which includes minimizing a cost function with a data misfit contribution and a regularizer. As a result, the obtained current density was used to construct a map of redox potential showing the borders and the redox front of the contaminant plume. The redox contribution was explained by vertical dipoles distributed across the capillary fringe, supporting further the mechanism of bio-geo-battery which was created due to the existence of a strong redox potential gradient between the highly reducing conditions within the plume and the oxidizing conditions outside the plume. Furthermore, elevated magnetic susceptibility values were recorded in the biologically active transition zone where bio-precipitation of iron minerals is occurring. Given these results, this study showed that biological alterations of hydrocarbons induced subtle changes in the pore water biogeochemistry, which consequently modified the geophysical properties of the contaminated sediments. The extent of groundwater contamination was delineated according to the geophysical contrast between the contaminated and clean zones. Moreover, the combination of the different geophysical methods, constrained by the geochemical point measurements, provided insight on the different processes which might have modified the soil and groundwater biogeochemical properties at the contaminated site.

L'objectif principal de cette thèse était de reconstituer l'évolution de la circulation intermédiaire depuis la dernière période glaciaire à partir de carottes de sédiments marins prélevées dans le golfe du Bengale GB, la Mer d’Arabie MA et l’océan Indien équatorial oriental OIEO. La stratégie scientifique mise en œuvre inclut l’étude des assemblages et de la géochimie des foraminifères benthiques, afin de reconstruire les changements de source et de ventilation des masses d’eau. Les résultats obtenus dans le GB ont permis de restituer les changements hydrologiques à profondeur intermédiaire à haute résolution temporelle au cours des derniers 40 ka. Les enregistrements témoignent de changements dans la source des masses d’eau, entre l’Océan austral avec les eaux antarctiques intermédiaires AAIW et les eaux Nord Atlantique NADW, à l’échelle glaciaire-interglaciaire mais aussi lors des événements millénaires. Ce travail a aussi permis de fournir les premiers enregistrements à haute résolution temporelle des rapports élémentaires des foraminifères benthiques (Mg/Ca, Sr/Ca, U/Ca et Li/Ca) dans le GB et en MA. Ces résultats permettent notamment de mieux contraindre la pénétration des AAIW vers le nord depuis la dernière période glaciaire. La reconstruction de la concentration en ion carbonate permet également de discuter des relations entre les variations de la circulation intermédiaire et les changements profonds du cycle du Carbone à l’échelle globale, notamment via les échanges se produisant dans l’Océan Austral. Nous avons également fourni dans ce travail les premiers enregistrements de Cd/Ca et de Ba/Ca continus et à haute résolution dans le nord de l’océan Indien, pour reconstituer les modifications passées de la teneur en éléments nutritifs. Les enregistrements géochimiques dans l’OIEO témoignent de profonds changements des propriétés des masses d'eau intermédiaires, associées aux changements de circulation. / The main objective of this study was to reconstruct the evolution of the intermediate water circulation since the last glacial period by the investigation of marine cores collected from the Bay of Bengal (BoB), Arabian Sea (AS) and Eastern Equatorial Indian Ocean (EEIO). The scientific strategy involves benthic foraminiferal assemblages and geochemical proxies to better constrain past changes in the source and ventilation of water masses. Records from the BoB allowed reconstructing hydrological changes at intermediate depth over the last 40 cal kyr. The records highlight changes in the source of water masses, with a balance between the contribution of southern Antarctic Intermediate Water (AAIW) versus North Atlantic Deep Water (NADW) at glacial-interglacial timescale as well as during millennial events. This work also provided the first high-resolution benthic foraminifera elemental ratio records (Mg/Ca, Sr/Ca, U/Ca and Li/Ca) from the BoB and the AS. These records especially help to better constrain the northward penetration of AAIW over the last glacial period. The reconstruction of the carbonate ion concentration allowed to discuss the relationships between the intermediate water circulation and deep changes in the global Carbon cycle, with a special interest for the Southern Ocean. This work also provides the first continuous and high-resolution benthic Cd/Ca and Ba/Ca records in the northern Indian Ocean, could reconstruct past changes in the nutrient content. Geochemical records from the EEIO exhibit strong changes in the chemical properties of the intermediate water masses, related to global circulation changes in the area.

L’objectif de cette thèse est d’utiliser la géochimie des spéléothèmes à travers une étude multi-proxy afin de reconstituer des changements environnementaux et climatiques dans le Sud-Ouest de l’Europe au cours de l’Holocène. Ce travail basé sur trois sites répartis entre l’Espagne et la France couvre les 14 000 dernières années. Cette région du sud-ouest de l’Europe, située à la confluence des hautes et des basses latitudes en fait une région particulièrement sensible à la fois à l’influence climatique de la région Nord-Atlantique mais également des régions Méditerranéenne et subtropicales Africaines et Asiatiques. Ce contexte particulier permet d’étudier idéalement l’impact des différents mécanismes climatiques agissant sur les modifications de son environnement. La répartition des sites d’étude a pour but de comparer les sites sous influence majeure Atlantique (Candamo, Nord Espagne), Méditerranéenne (Salamandre, SE France) ou sous influence mixte (Nerjà, sud Espagne). La compréhension des comportements géochimiques d’éléments clés, a constitué la première partie de cette étude. Après avoir établi un cadre temporel bien contraint (14C, U/Th), la géochimie élémentaire (éléments traces et terres rares) a été couplée à l’étude isotopique (87Sr/86Sr, d18O, d13C). Le rapport 87Sr/86Sr traditionnellement utilisé comme traceur de sources du Sr a été couplé à l’étude des variations élémentaires des éléments alcalins (Li, Rb, Cs) afin de déterminer des changements de sources des éléments (roche-mère ou de sol) dans les spéléothèmes. Le comportement de ces alcalins s’est également révélé lié à des modes de transports différents (particulaire, dissous ou liés à des complexes organiques) et l’utilisation du d13C et des terres rares (fractionnement terres rares légères et terres rares lourdes et anomalie en cerium) a permis de confirmer ou non ces hypothèses. La deuxième partie de ce travail a été d’appliquer ces mécanismes géochimiques à la détermination des processus hydrologiques et environnementaux et de les replacer dans le cadre climatique propre à chaque site d’étude. Ainsi, les éléments alcalins (Li, Rb, Cs) se sont révélés de bons indicateurs de phénomènes d'altération pouvant être liés à des changements climatiques (comme la transition entre le Bölling-Alleröd et le Younger-Dryas dans le site de la Salamandre), et/ou environnementaux (période de déforestation ou de mise en place de végétation à l’Holocène moyen dans le cas du site de Nerjà ou de Candamo). Ces événements pouvant donc se dérouler en contexte très différents (climat sec, déforestation, apports détritiques en climat humide par lessivage), le couplage à d’autres proxis est alors nécessaire pour préciser les conditions d'enrichissement de ces éléments alcalins. / The purpose of this thesis is to use speleothem geochemistry through a multi-proxy study to reconstruct environmental and climatic variations in southwestern Europe during the Holocene. This work, based on three sites distributed between Spain and France, covers the last 14,000 years. Due to its location at the confluence of the high and low latitudes, this region of south-western Europe is especially sensitive to both the influence of the North Atlantic climate but also the Mediterranean and subtropical African and Asian climate. This particular context allows to study ideally the impact of the different climatic mechanisms driving the modifications of its environment. The choice of the study sites’ distribution aims to compare sites with main Atlantic influence (Candamo, N Spain), Mediterranean (Salamandre cave, SE France) and mixt one (Nerjà, S Spain). The understanding of geochemical behavior was the first part of this study. After the establishment of a chronological frame (14C, U/Th), elemental geochemistry (trace elements and rare earth elements) and isotopic (87Sr/86Sr, d18O, d13C) was coupled. The 87Sr/86Sr isotope ratio, traditionally used as a source tracer for Sr, has been coupled to the study of elementary variations of alkali elements (Li, Rb, Cs) in order to determine changes in the contribution of bedrock and soil in speleothems. The behavior of these alkalis has also been shown to be related to different modes of transport (particulate dissolved or bound to organic complexes) and the use of d13C and rare earths (light rare earth and heavy rare earth fractionation and cerium anomaly) made it possible to confirm or not these hypotheses. The second part of this work was to apply these geochemical mechanisms to the determination of the hydrological and environmental processes and to place them in the specific climatic context of each study site. Thus, the alkali elements (Li, Rb, Cs) have proved to be good indicators of weathering phenomena that may be related to climate change (such as the transition between Bölling-Alleröd and Younger-Dryas in the Salamandre site), and/or environmental changes (period of deforestation or establishment of vegetation in the Middle Holocene in the case of the sites of Nerjà or Candamo). These events can thus take place in very different contexts (dry climate, deforestation, detrital inputs during wet climate by leaching) the coupling to other proxis is then necessary to specify the conditions of enrichment of these alkali elements.