L'évaluation des effets des barrages sur les cours d'eau est rendue difficile par l'absence d'observations adéquates et par la variabilité naturelle des chenaux. Si ces effets sont largement connus et décrits qualitativement, la collecte de données quantitatives et la réalisation de modèles prédictifs d'évolution restent des points délicats à traiter en raison de la complexité des processus (chapitre 1). De plus, nous savons aujourd'hui limiter les effets directement liés aux régulations des débits liquides mais des actions limitant ou palliant le déficit de charge solide restent encore à définir. De nombreuses opérations de restauration de la charge de fond ont déjà été entreprises en Californie, ou sur le Rhin, mais la plupart consistent en la réintroduction de sédiments exogènes dont le transport sur le site déficitaire est extrêmement coûteux. La basse vallée de l'Ain représente un site d'étude idéal pour aborder cette thématique de recherche. Cette rivière comporte, en effet, un corridor relativement naturel et n'a pas été le centre d'importantes activités (extractions de granulats en lit mineur) ou d'aménagements importants (endiguement généralisé, calibration pour la navigation), hormis la construction de nombreux ouvrages hydroélectriques.<br /><br />Dans un premier temps, nous avons identifié les effets de la chaîne de barrages sur la morphologie de l'Ain dont les variables de contrôle ont été profondément modifiées depuis la fin du 19e siècle (chapitre 2). Pour cela, nous avons tout d'abord analysé finement la trajectoire contemporaine du cours d'eau en nous focalisant sur deux paramètres d'ajustement (la largeur et le profil en long). Ceci nous a permis, ensuite, de distinguer, au sein de cette trajectoire, les effets des barrages sur les variables de contrôle (charge de fond depuis 1931 et débit depuis 1968) et sur les ajustements morphologiques qui ont pu en découler. L'amplitude des modifications des variables de contrôle imputables aux barrages, ainsi que l'extension spatiale actuelle des ajustements fluviaux en lien avec ces modifications, ont été ensuite déterminées à partir des jeux de données disponibles (photographies aériennes) et de mesures collectées sur le terrain (granulométrie).<br />Dans un second temps, nous avons cherché à approfondir nos connaissances relatives à la dynamique sédimentaire de l'Ain (détermination des entrées sédimentaires, des dépôts, des capacités du cours d'eau à évacuer la charge disponible, quantification des excédents énergétiques du cours d'eau) pour définir l'amplitude actuelle du déficit sédimentaire du cours d'eau, mais également pour déterminer les évolutions à venir et les préconisations de gestion à envisager (chapitre 3). Trois approches ont été utilisées et adaptées pour aborder cet aspect : la construction d'un budget sédimentaire par tronçons homogènes, des mesures directes de transport solide, et la détermination de la capacité de transport à l'aide de formules hydrauliques. Ces trois techniques ont permis d'effectuer une validation croisée des résultats obtenus, qui montrent la nécessité de mettre en place rapidement des mesures de gestion pour augmenter les introductions de charge sédimentaire en amont du système. Il semble ainsi que le chenal ne soit plus en mesure d'assurer seul sa recharge en sédiment et qu'aucune entrée sédimentaire conséquente ne soit susceptible d'enrayer la progression du déficit évalué à 10-15 000 m3.an -1.<br />Ces résultats ont ainsi servi de base pour la définition d'un plan de gestion durable de la dynamique sédimentaire de l'Ain (chapitre 4) qui présente un double objectif, à la fois préventif (préservation des secteur à méandres mobiles) et curatif (réhabilitation de la dynamique latérale des secteurs déjà déficitaires). Après avoir présenté l'ensemble des actions potentiellement envisageables sur des tronçons à l'aval de barrages, nous avons sélectionné les mesures les plus adaptées techniquement et économiquement à notre contexte. Nous présentons enfin les premières opérations de recharge artificielle qui ont été réalisées à la suite de ces préconisations.

Les variations du niveau de base entraînent une perturbation de la dynamique érosive d'un système continental. Une chute du niveau de base se traduit par la propagation d'une incision fluviatile vers l'amont entraînant un rajeunissement du paysage. Cette étude a pour but de montrer comment cette érosion affecte l'évolution d'un paysage, suivant les paramètres du système morphologique préexistant. Elle s'appuie sur un exemple préservé de chute du niveau de base de grande ampleur pendant la Crise de Salinité Messinienne en Méditerranée il y a 5.5 Ma. L'étude morphologique des incisions messiniennes couplée à une modélisation numérique montre qu'il existe une dichotomie entre la vitesse de croissance d'un réseau et ses effets sur l'évolution à long terme d'un paysage en présence d'une pente régionale préexistante. L'absence de pente régionale peut conduire à une modification drastique comme la capture de l'Atlantique au niveau de Gibraltar qui a entraîné la fin de la Crise Messinienne.

Afin de comprendre l'évolution, la géométrie et le mécanisme des déformations récentes (<10 Ma) du socle européen depuis le massif cristallin externe de l'Argentera jusque sur la marge nord-Ligure, des analyses thermochronologiques par traces de fission (apatites/zircons), géomorphologiques et des interprétations de profils sismiques ont été réalisées.<br />Une dénudation du massif est enregistrée vers 22 Ma, certainement en relation avec la structuration de l'arc de Castellane au Miocène moyen-supérieur, qui se poursuit localement vers 6 Ma par dénudation le long de la faille du « Camp des Fourches ». Plus globalement un soulèvement à 0,8 mm/a (30°C/km) est enregistré à 3,5 Ma et suivi tardivement par un mouvement inverse le long de la faille de Bersézio/Veillos à 1 mm/a. Malgré une forte emprunte d'érosion glaciaire présente sur le massif, l'analyse géomorphologique conforte ces derniers résultats. A partir d'un modèle d'évolution de processus de surface, le taux d'érosion associé est estimé localement à 1 mm/a et semble aujourd'hui plus important sur le bassin versant oriental du massif.<br />D'après l'analyse de 70 profils sismique-réflexion, la déformation de la marge nord-Ligure serait liée à la propagation d'un chevauchement aveugle jusque dans les formations salifères messiniennes du bassin.<br />Cette déformation récente compressive de l'avant-pays alpin est guidée par une tectonique de socle le long de structures héritées et fait suite à l'exhumation des roches THP dans les zones internes.

La prise en compte du risque sismique dans une région donnée passe par l'évaluation de l'aléas, c'est-à-dire la probabilité qu'un séisme de magnitude définie se produise dans un intervalle de temps défini. Le calcul de cette probabilité repose sur certains paramètres sismo-tectoniques locaux tels que la fréquence des tremblements de terre destructeurs, leur magnitude ainsi que le taux de déformation annuel. Ces paramètres ne seront convenablement déterminés qu'en disposant d'une fenêtre d'observation représentative des phénomènes en jeu. Face à des périodes de retour variant de quelques décennies à plusieurs millénaires, les données sismologiques instrumentales et historiques se révèlent souvent insuffisantes. Afin de compléter les catalogues de sismicité disponibles, nous avons appliqués les méthodes de la paléosismologie à deux régions très différentes : la région de Bâle (sud du Fossé Rhénan) frappée par un séisme destructeur en 1356 et la région d'Izmit (est de la Mer de Marmara) en grande partie détruite en Août 1999 par un séisme de magnitude 7.4.<br />Une étude intégrée complète de la région de Bâle a permis d'identifier la faille responsable du dernier grand séisme puis de retracer son histoire sismique holocène. Nous avons ainsi démontré qu'elle est le lieu d'un évènement de magnitude 6.4-6.7 tous les 2600 ans, en moyenne. De plus, nous donnons des indications fortes sur son prolongement au travers de la ville de Bâle, au nord, et du Jura Plissé, au sud. Ces résultats ont une incidence directe sur le niveau de risque sismique régnant dans la région. En effet, celui-ci a diminué d'un degré depuis la prise en compte de ces éléments jusqu'ici inédits.<br />Nous avons appliqué une approche similaire, quoique adaptée, à la faille Nord Anatolienne autour de la Mer de Marmara. Une campagne de tranchées menée sur la faille de Ganos à l'ouest et sur le segment Izmit-Sapanca à l'est ainsi que des profils de radar géologique ont mis en évidence plusieurs évènements récents et permis de déterminer l'amplitude des mouvements co-sismiques produits lors de ces séismes. Ceux-ci montrent clairement un comportement caractéristique des deux côtés de la Mer de Marmara, avec toutefois des déplacements co-sismiques différents : 4 à 5 m pour Ganos et 2 à 2.5 m pour Izmit-Sapanca.

L'étude de la localisation de la déformation dans un milieu fragile/ductile s'inscrit dans la compréhension mécanique du développement des réseaux de fractures multi-échelles, caractéristiques de la déformation intra-continentale. Une approche expérimentale, simulant un contexte de collision à l'échelle lithosphérique, a été mise en oeuvre. Elle permet de décrire et de suivre dans le temps un mode de rupture, dans lequel les réseaux de failles obtenus présentent des propriétés statistiques similaires à celles des réseaux naturels. Une analyse détaillée de l'organisation des hétérogénéités et des déformations dans ces expériences permet d'obtenir des informations importantes sur l'évolution de ces systèmes et sur la localisation de la déformation à grande échelle. La déformation d'un analogue de la lithosphère continentale peut ainsi être caractérisée par trois facteurs : le paramètre fragile/ductile G, le nombre d'Argand Ar et les conditions aux limites. G, lié au couplage fragile/ductile, contrôle le degré de localisation de la déformation. Ar caractérise le rôle des forces gravitaires sur l'expression du mode de déformation dominant (compressif, décrochant ou extensif). Les conditions aux limites influent sur la répartition spatiale de ces modes de déformation. A partir de l'analyse des champs de déformation, le processus de localisation est découpé en deux phases : la phase pré-localisation et la phase post-localisation. La phase pré-localisation se traduit par une augmentation de la déformation moyenne avec le temps selon une loi de puissance, dont l'exposant est indépendant de la rhéologie du milieu. Elle se caractérise par une organisation progressive des déformations, qui s'accompagne d'une augmentation de la longueur de corrélation. Cette phase pré-localisation semble se faire sur une période de temps indépendante de la rhéologie du milieu comme du mode de déformation. Elle aboutit au développement du réseau de failles. La phase post-localisation est caractérisée par une organisation des déformations selon des lois d'échelles, dont la dimension fractale est fonction de la rhéologie du milieu. Bien que la déformation moyenne et la longueur de corrélation (de la taille du système) soient stabilisées, le système reste dynamique, comme en témoignent les fluctuations observées au niveau de la masse des failles actives ou de la dimension de corrélation. Dans la mesure où la mécanique du couplage fragile/ductile ne peut être expliquée à partir des expériences, celle-ci est abordée au travers de simulations numériques. Le rôle de la viscosité du milieu ductile sur le caractère localisé ou diffus de la fracturation dans le milieu fragile y est plus particulièrement étudié. Les résultats montrent notamment qu'une variation d'un ordre de grandeur de la viscosité permet de passer d'un mode de fracturation diffus à localisé.

L'évolution à long terme des reliefs continentaux résulte de couplages complexes entre processus d'érosion et mouvements tectoniques qui tendent à s'équilibrer pour atteindre éventuellement un état stationnaire. La partie érosion de ces couplages est gouvernée par l'interaction entre des processus élémentaires de versant et de rivière, étroitement couplés, qui contrôlent l'organisation spatiale du réseau de drainage. Ces processus sont caractérisés par des vitesses d'érosion et de transport lentes sur les versants et très rapides dans les rivières, et dépendent souvent non-linéairement de la pente topographique et du flux d'eau. Il en résulte une dynamique complexe à l'échelle locale dont les conséquences à l'échelle continentale sur la vitesse et les volumes de matière transportés ne sont pas encore comprises. L'objectif de cette thèse a été de comprendre et modéliser cette dynamique à l'échelle des temps géologiques, dans le cadre de perturbations tectoniques simples, et pour des conditions climatiques constantes. Nous utilisons un modèle numérique permettant de simuler l'action de différents processus d'érosion de versant et de transport fluvial. Les solutions hors équilibre prédites par ce modèle ne pouvant être validées analytiquement ou à partir de données naturelles, une approche expérimentale inédite a été développée. Elle permet d'étudier précisément l'évolution d'une topographie soumise à l'action simultanée d'une surrection simple et de processus d'érosion et de transport par ruissellement. Au cours d'une expérience, la surface s'auto-organise d'abord en une série de bassins versants de géométrie similaire aux systèmes naturels, puis l'altitude moyenne du système s'approche quasi-exponentiellement d'une valeur constante, traduisant un état d'équilibre macroscopique. L'analyse couplée des expériences et des simulations numériques montre que cette dynamique dépend fortement de la présence de zones de drainages internes non connectées aux conditions limites du système, du degré de non-linéarité entre érosion et pente topographique et de l'existence d'un seuil d'érosion. A partir de l'analyse de systèmes naturels, via le formalisme de la relation pente-aire drainée, nous mettons en évidence l'existence d'un tel seuil dans les systèmes naturels. Pour ce faire nous avons développé un nouveau critère morphologique permettant de caractériser l'état dynamique des reliefs naturels. L'hypothèse d'équilibre dynamique entre érosion et tectonique, nécessaire à l'interprétation correcte des relations entre formes topographiques et processus d'érosion, peut être ainsi (in)validée. Ces résultats suggèrent que le seuil d'érosion habituellement négligé dans le calibrage des lois d'érosion élémentaires doit être explicitement pris en compte pour prédire correctement les formes topographiques naturelles, la dynamique de la croissance des réseaux de drainage et les relations à l'échelle continentale entre taux de dénudation et paramètres topographiques.

Les Hohokam et leurs descendants les Akimel O'Odham ont exploité et irrigué la basse vallée de la Salt et la moyenne vallée de la Gila dans le bassin semi-désertique de Phoenix en Arizona depuis presque deux millénaires. Leur histoire culturelle repose sur une interaction constante de ses membres avec une ressource rare, l'eau. Pour comprendre les dynamiques socio-environnementales, résultats de cette interaction sur la longue durée, nous avons adopté une approche géoarchéologique, chronologique et paléoenvironnementale des systèmes hydrauliques et des formations alluviales, approche affinée par les méthodes géophysiques et micromorphologiques. La reconstruction de l'agro et de l'hydrosystème met en relief un développement de l'irrigation autour de 300 apr. J.-C. lors de conditions environnementales stables mais sèches. De 300 à 1050 apr. J.-C. (période pré-Classique), l'agrosystème Hohokam est caractérisé par une irrigation efficace de la plaine alluviale et des basses terrasses, qui s'exhaussent puis se stabilisent entre 850 et 1000 apr. J.-C. (Petit Optimum Climatique Médiéval) Un épisode d'élargissement puis d'incision est enregistré entre 1050-1150 apr. J.-C. Malgré un entretien poussé des structures hydrauliques, l'organisation du territoire évolue. Les basses terres sont abandonnées, de nouveaux systèmes d'irrigation sont construits et les pratiques agraires se diversifient. L'exhaussement du lit est à nouveau attesté à partir du 13ème s. et le fonctionnement de l'irrigation est optimal entre 1150 et 1450 apr. J.-C. (période Classique). Le bassin de Phoenix est toutefois abandonné jusqu'au 17ème s. Cette déprise agraire est associée à une phase de stabilité du paysage, entre 1450 et 1600 apr. J.-C, puis par une reprise rapide de l'aggradation associée à une forte mobilité fluviale jusqu'en 1870 (Petit Age Glaciaire), date après laquelle le système s'incise à nouveau. L'agrosystème Akimel O'Odham fonctionne de façon optimale du 17ème jusqu'à l'arrivée massive des pionniers (circa 1870), après laquelle il évolue de façon presque irréversible (réduction de la superficie irrigable, coupe du bois, pratique de l'agriculture sèche). Ces résultats permettent d'aborder les modalités de la morphogénèse en contexte semi-aride mais également les concepts de rupture et de stabilité socio-environnementale. Nous réfutons l'hypothèse d'un déclin d'origine environnementale autour de 1450 apr. J.-C. Par contre, une crise environnementale autour de 1000-1150 apr. J.-C., associée à des conditions climatiques contraignantes (changements climatiques rapides avec épisodes El Niño) conduisant à des migrations massives et une surexploitation du territoire dans un milieu déjà fragilisé car trop spécialisé, pourrait être responsable du lent déclin de la communauté d'irrigation Hohokam, 200 à 300 ans plus tard. Le système socio-environnemental des Akimel O'Odham au 19ème s. semble reproduire le même schéma sur une échelle spatiale et temporelle plus réduite.

Le principal objet de cette thèse est de montrer que le karst est un vecteur pertinent d'informations morpho géniques. Pour utiliser à bon escient ce vecteur, il est nécessaire d'avoir une bonne connaissance des paramètres intervenant dans la formation et la structuration des vides endokarstiques et sur les processus de sédimentation carbonatée (spéléothème et travertin). Ces paramètres sont abordés, dans le Livre l, au travers de l'approche systémique. Cette approche apparaîtt la plus appropriée pour, d'une part, aborder les notions de structure, de flux et d'évolution du système karstique et, d'autre part, pour définir des stratégies méthodologiques cohérentes. Sur la base de cette approche, deux domaines géographiques ont été traités: le Vercors (Livre II) et la Transversale de Ronda (Livre III). L'intérêt de travailler sur deux entités différentes est double: il permet de s'affranchir des spécificités locales qui ont, parfois, pour effet de parasiter les essais morphogéniques ; le second intérêt est de pouvoir déterminer les différentes réponses du karst aux événements d'ordre tectonique, eustatique et/ou climatique. L'étude du karst, comme vecteur d'informations, a permis de définir la part d'événements dans l'évolution morphologique de ces deux domaines, comme la crise messinienne, le soulèvement pliocène et les oscillations climatiques pléistocènes, dont les effets n'étaient pas toujours perceptibles à partir des seules données superficielles. De ce travail, il ressort que les paléodrains constituent l'une des entrées les plus pertinentes car ils permettent de saisir l'existence de structures de substitution induites par des événements paléogéographiques de "premier ordre".

Ce travail traite de l'hydrogéologie de la plaine de l'Isère ( Grésivaudan) entre Pontcharra au nord et Saint Martin d'Hères au sud.

La fracturation des zones internes des Alpes occidentales montre principalement une déformation extensive: 75% des failles mesurées sont normales, 25% sont décrochantes. Cette fracturation néogène est synchrone d'un régime compressif en externe. Des indices néotectoniques montrent qu'une partie de cette fracturation est récente.<br />200 tenseurs de paléocontraintes ont été obtenus par Inversion Directe et ont été synthétisées avec des données existantes (Simplon et Briançon). L'extension est principalement parallèle à la direction des structures alpines et s'exprime sur des failles orientées radialement par rapport à l'arc alpin. Une partie de l'extension est perpendiculaire à la direction de la chaîne; elle augmente du Nord au Sud, et s'exprime bien dans la région de Briançon. Des décrochements s'observent dans tout l'arc; ils sont plus récents que l'extension dans la partie sud de l'arc, alors qu'il sont plus anciens dans le Sud Valais. Les axes de tension associés sont compatibles avec les directions générales de l'extension.<br />Deux régimes tectoniques différents dans les Alpes occidentales sont donc mis en évidence et différents moteurs géodynamiques sont proposés pour expliquer ces observations:<br /> - Une extrusion vers une bordure libre pendant les derniers épisodes compressifs, en relation avec la rotation l'Apulie et l'ouverture de la Mer Ligure. <br /> - Un étalement gravitaire lié à l'absence actuelle de convergence provoquant une extension radiale à l'arc.<br /> Le passage d'un régime à l'autre a peut-être eu lieu durant le Pliocène, en relation avec le ralentissement de la convergence au niveau des Alpes occidentales et l'augmentation des taux d'érosion dans la chaîne.