Thèse doctorat : Dynamique & environnements sédimentaires : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3399. Articles en anglais reproduits dans le texte. Résumé en français. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique & environnements sédimentaires : Lille 1 : 2003. / Articles en anglais reproduits dans le texte. Résumé en français. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Thèse de doctorat : Sciences et environnements. Sédimentologie marine et paléoclimats : Bordeaux 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Le climat primitif martien fascine la recherche martienne. Identifier avec le plus de précision possible les conditions primitives martiennes permettrait de contraindre les différents états de l’eau au cours de l’histoire martienne. Aujourd’hui deux hypothèses font débat, la première est celle d’un climat chaud et humide régnant à la surface de Mars à la fin du Noachien/début Héspérien. La deuxième, à l’inverse, semble indiquer que le climat aurait été froid et englacé sur les plus hautes altitudes martiennes. Néanmoins, cette deuxième hypothèse est souvent contestée, car contrairement à la présence de marqueur d’eau liquide à la surface de Mars, aucune morphologie de surface attestant d’un climat froid n’avait été identifiée. Au cours de cette thèse, nous avons étudié de manière morphométrique les structures et morphologies à la surface de Terra Sabaea, qui constitue 1% de la superficie totale de la planète. Ces structures constituent des héritages morphologiques des activités climatiques passées. Afin de caractériser au mieux l’origine érosive de ces structures, nous avons créé une nouvelle méthode d’analyse morphométrique à partir de différentes méthodes terrestres et martiennes. Cette nouvelle méthode permet d’extraire plus de 20 données exploitables par vallée. Il a donc été question de mesurer un maximum de vallée afin d’établir une base de données que nous avons comparée avec des bases de données de morphologies terrestres et martiennes. Grâce à cette analyse, il a été possible de mettre en évidence, la présence d’un paysage glaciaire dans la région de Terra Sabaea. Ce paysage est composé de (1) vallées glaciaires liées avec (2) des cirques glaciaires. La source de cette glace semble être (3) des calottes de plateaux locales à des altitudes > 3500 m. Nous avons donc démontré pour la première fois la présence de morphologies glaciaires attestant d’un climat froid il y a 3.6 Ga. Néanmoins, la présence de telles morphologies n’indique pas que l’ensemble de Terra Sabaea était englacé. L’analyse morphométrique a démontré la présence de morphologie fluviatile géographiquement proche des morphologies glaciaires et souvent à la même altitude, entre 1500 et 3500 m. Cette observation nous a permis de mettre en évidence (4) que la pente était un facteur qui influençait sur l’état de l’eau. En effet, pour une même altitude, les morphologies fluviatiles sont situées sur les pentes douces (< 3°) alors que les morphologies glaciaires sont situées sur les remparts internes des cratères d’impacts présentant une forte pente (> 10°). Cependant (5) l’altitude semble également être un facteur déterminant puisque l’on ne retrouve pas de morphologie glaciaire à des altitudes < 1500 m. L’analyse des terrains de Terra Sabaea a également mis en évidence (6) qu’il existait un lien génétique entre les morphologies glaciaires de hautes altitudes et les vallées fluviatiles plus bas. En effet, il est possible de suivre une vallée qui prend sa source sur les hauts plateaux englacés en amont, jusqu’en aval où elle rejoint des morphologies témoignant d’une activité fluviatile. Cette continuité dans les morphologies glaciaires et fluviatiles permet (7) de mieux définir l’origine des vallées ramifiées, et notamment l’origine de Naktong vallis, et il semblerait que la fonte des glaces a joué un rôle dans leurs formations. De plus, cette continuité morphologique permet de supposer qu’il existait (8) un cycle de l’eau similaire à la Terre dans la région de Terra Sabaea il y a 3.6 Ga. / The primitive Martian climate fascinates Martian research. Identifying Martian primitive conditions as accurately as possible would make it possible to constrain the different states of water during Martian history. Today two hypotheses are debated, the first is that of a hot and humid climate prevailing on the surface of Mars at the end of the Noachian / early Hesperian. The second, on the contrary, seems to indicate that the climate was cold and glacial on the highest Martian altitudes. Nevertheless, this second hypothesis is often disputed, because unlike the presence of liquid water marker on the surface of Mars, no surface morphology attesting to a cold climate had been identified. In this thesis, we studied morphometrically structures and morphologies on the surface of Terra Sabaea, which constitutes 1% of the total surface of the planet. These structures constitute morphological legacies of past climatic activities. In order to better characterize the erosive origin of these structures, we have created a new method of morphometric analysis from different terrestrial and Martian methods. This new method makes it possible to extract more than 20 exploitable data per valley. It was therefore a question of measuring a valley maximum in order to establish a database that we compared with databases of terrestrial and Martian morphologies. Thanks to this analysis, it has been possible to highlight the presence of an ice landscape in the Terra Sabaea region. This landscape is composed of (1) glacial valleys linked or not with (2) glacial cirques. The source of this ice appears to be (3) local plateau caps at altitudes> 3500 m. We thus demonstrated for the first time the presence of glacial morphologies attesting to a cold climate there are 3.6 Ga. Nevertheless, the presence of such morphologies does not indicate that the whole of Terra Sabaea was glaciated. Morphometric analysis has demonstrated the presence of fluvial morphology geographically close to glacial morphologies and often at the same altitude, between 1500 and 3500 m. This observation allowed us to highlight (4) that the slope was a factor influencing the state of the water. Indeed, for the same altitude, fluvial morphologies are located on gentle slopes (<3 °) while glacial morphologies are located on the inner walls of impact craters with a steep slope (> 10 °). However (5) altitude also seems to be a determining factor since we do not find glacial morphology at altitudes <1500 m. Terra Sabaea land analysis also revealed (6) that there is a genetic link between high altitude glacial morphologies and lower river valleys. Indeed, it is possible to follow a valley that has its source on the highlands glaciers upstream, downstream where it joins morphologies testifying to a fluviatile activity. This continuity in glacial and fluvial morphologies makes it possible (7) to better define the origin of branched valleys, and in particular the origin of Naktong vallis, and it seems that melting ice has played a role in their formations. Moreover, this morphological continuity makes it possible to suppose that there existed (8) a cycle of water similar to the Earth in the region of Terra Sabaea there is 3.6 Ga.

La région de Charlevoix, dans le sud-est du Québec, est caractérisée par un paysage spectaculaire formé par la jonction des Hautes-Laurentides, de l’astroblème de Charlevoix et de l'estuaire du Saint-Laurent. Cette étude, basée sur deux campagnes de terrain et sur l'interprétation de photos aériennes numériques de haute résolution 3D et de données LiDAR, documente un géosystème glaciaire dominé par le développement de lacs proglaciaires lors de la déglaciation en raison d'une topographie très irrégulière et de la présence de grands systèmes morainiques. Les résultats fournissent une chronologie relative pour le développement et le drainage d’une série de lacs proglaciaires pendant chaque étape de la déglaciation. Dans la région, les Hautes-Laurentides sont caractérisées par un haut plateau (700 - 1174 m) et des vallées profondément encaissées (Malbaie, Sainte-Anne, à Mars). L’astroblème de Charlevoix est caractérisé par un graben circulaire (vallées du Gouffre et Malbaie) et une remontée centrale (mont des Éboulements et collines de Saint-Hilarion). Quatre systèmes morainiques sont observés dans la région: les systèmes Rochette et Brûlée-Sainte-Anne, probablement développés pendant la Dryas ancien (~ 14 cal. ka BP.), et les systèmes de Mars-Batiscan et de Saint-Narcisse, datant du Dryas récent (12,9 - 11,7 cal. ka BP). La présence de deltas, de rythmites, de dépôts littoraux, de terrasses lacustres, de brèches de drainage et de dépôts de drainage a été utilisée pour identifier 91 lacs proglaciaires. Cinq systèmes de lacs proglaciaires ont été identifiés sur la base de leur emplacement, leur chemin de drainage, leur type de barrages, leur complexe morainique associé et leur stratigraphie: 1- Système des lacs se drainant la vallée du Saint-Laurent : des lacs étant contenus par le courant glaciaire du Saint-Laurent ou par les moraines de Rochette; 2- Système des vallées latérales de l’astroblème : des lacs se drainant dans le graben de l’astroblème, contenus par les langues glaciaires du Gouffre et Malbaie; 3- Système du secteur de Sainte-Aimée-des-lacs : des lacs situés dans le graben de l’astroblème, contenus par des crêtes morainiques associées au complexe de Saint-Narcisse; 4- Système du Secteur Sainte-Anne : des lacs se drainant par les vallées des rivières Sainte-Anne et Montmorency, contenus par les moraines du complexe de Brûlé-Sainte-Anne ou par des glaciers de vallées; 5- Système des Laurentides Nord : des lacs se drainant vers le nord (Saguenay, rivière Noire), contenus d’abord par l’Inlandsis laurentidien et ensuite par les moraines des complexes de Saint-Narcisse et de Mars-Batiscan. / The Charlevoix region, in southeastern Québec, is characterized by a dramatic landscape formed by the junction of the Laurentian Highlands, the Charlevoix Astrobleme and the St. Lawrence Estuary. This study, based on two extensive field campaigns and the interpretation of high-resolution 3D digital air photos and LiDAR data, documents a glacial landsystem dominated by the development of proglacial lakes during deglaciation due to a very irregular topography and the presence of major moraine systems. Our results provide a relative chronology for the development and drainage of series of proglacial lakes formed during each successive stage of deglaciation. In the region, the Laurentian Highlands are characterized by a high plateau (700-1174 m) and deeply incised river valleys (Malbaie, Saint-Anne, à Mars). The Charlevoix Astrobleme is characterized by a circular graben (Malbaie and du Gouffre river valleys) and a central uplift (Mount of Éboulements and Saint-Hilarion hills). Four moraine systems are observed in the region: the Rochette and Brûlée-Sainte-Anne systems, probably developed during the Older Dryas (~ 14 cal. ka BP), and the Saint-Narcisse and Mars-Batiscan systems dating from the Younger Dryas (12.9 to 11.7 cal. ka BP). Deltas, rythmites, coastal deposits, lacustrine terraces, breaches and drainage deposits were used to identify 91 proglacial lakes. Five types of proglacial lakes were identified based on their location, drainage path, type of dams, associated moraine complex and stratigraphy: 1- Lakes draining towards the St. Lawrence valley : constrained by glacial ice in the St. Lawrence Estuary or by the Rochette moraine, and draining later into the Goldthwait Sea; 2- Astrobleme side valley lakes : constrained by du Gouffre and Malbaie glacial tongues and draining into the graben of the astrobleme; 3- Sainte-Aimée-des-Lacs lakes : constrained by moraine ridges associated with Saint-Narcisse moraine systems; 4- Sainte-Anne Sector lakes : constrained by Brûlé-Sainte-Anne moraines or by valley glaciers lakes and draining through the Sainte-Anne and Montmorency river valleys; 5- Northern Laurentian lakes: constrained first by the Laurentide Ice Sheet and then by the moraines of the Saint-Narcisse and Mars-Batiscan moraine systems and draining northward towards Lake St-Jean and Saguenay River.

Même les écosystèmes les plus nord du monde ont été affectés par le réchauffement climatique et les lacs de l'Extrême-Arctique ne font pas exception. L'île d'Ellesmere est à la limite nord du Canada et des changements de régime vers des taxons associés à des saisons de croissance plus longues ont déjà été documentés dans les lacs de cette région. La côte nord de l'île d'Ellesmere est dans une région pour laquelle on prévoit le plus grand réchauffement annuel au cours des 80 prochaines années. Il est donc impératif de comprendre le fonctionnement des lacs côtiers sensibles avant que d'autres changements ne se produisent. J'ai étudié une série de quatre lacs de la vallée de Stuckberry (82º54 N, 66º58 W) pour donner un aperçu de leur dynamique phytoplanctonique sous la glace. Mes objectifs étaient 1) identifier et quantifier les communautés photosynthétiques dans les lacs de la vallée de Stuckberry, 2) déterminer les variables physico-chimiques qui ont exercé le contrôle le plus fort sur la variation de la communauté au sein des lacs et entre les lacs, et 3) élargir la compréhension des écosystèmes d'eau douce sous la glace de l'Extrême-Arctique et leur fonction. Les intensités lumineuses et l'oxygène dissous exerçaient un contrôle primordial sur la distribution et l'abondance des organismes photosynthétiques et la conductivité spécifique et l'azote jouaient aussi des rôles importants. Ces variables distinguaient clairement deux lacs oxiques profonds des deux lacs anoxiques peu profonds. Les différences des types de communautés photosynthétiques entre les lacs et les profondeurs étaient liées aux concentrations d'oxygène dissous : la lignée des algues rouges dominait dans les eaux oxiques, tandis que les bactéries sulfureuses pourpres dominaient dans les eaux anoxiques. Les pigments indiquaient aussi que les dinoflagellés, les cryptophytes et les haptophytes étaient abondants partout dans les quatre lacs, alors que les chrysophytes et les chlorophytes étaient présentes en plus faibles concentrations. Ma thèse représente l'une des très rares études de communautés photosynthétiques sous la glace de l'Extrême-Arctique, et elle fait progresser considérablement notre compréhension des processus écologiques dans cette région hautement sensible. / Even the world’s most northern ecosystems have been affected by climate warming and High Arctic lakes are no exception. Ellesmere Island is at the northernmost limit of Canada, and regime shifts have already been documented in its lakes towards taxa associated with longer growing seasons. It has been projected that the northern coast of Ellesmere Island is within a region that will experience the greatest annual warming in the Arctic over the next 80 years, and so understanding the functioning of its sensitive coastal lakes is critical before further changes occur. I studied a series of four lakes in Stuckberry Valley (82º54 N, 66º58 W) to give insight into their under-ice phytoplankton dynamics. My objectives were 1) identify and quantify the photosynthetic communities found in the Stuckberry Valley lakes, 2) determine the physicochemical variables that exerted the strongest control over within- and between-lake community variation, and 3) expand the understanding of under-ice High Arctic freshwater ecosystems and their function. Light intensities and DO concentrations exerted primary control over the distribution and abundance of photosynthetic organisms, in addition to important roles played by specific conductivity and nitrogen. These variables clearly distinguished two deep, oxic lakes from two shallow, anoxic lakes. Differences in photosynthetic community types between lakes and depths was strongly linked to DO concentrations: the red pigment algal line dominated in oxic waters, while purple sulfur bacteria (PSB) were found in anoxic zones. Pigments indicated that dinoflagellates, cryptophytes, and haptophytes were abundant throughout all four lakes, with lower concentrations of chrysophyte and chlorophyte pigments. My thesis represents one of the very few studies of High Arctic under-ice photosynthetic communities, and it significantly advances our understanding of ecological processes in this highly sensitive region.

Les 420 000 ans d'archives du climat et de la composition de l'atmosphère, constituées par la carotte de Vostok, offrent la possibilité unique de reconstruire l'évolution de la teneur en dioxyde de carbone (CO2) de l'atmosphère au cours des 4 derniers cycles glaciaireinterglaciaires. La représentativité atmosphérique de la teneur en CO2 de cette carotte est discutée en tenant compte des processus physiques susceptibles d'altérer l'information et de la mesure du rapport O2/N2 mise au point au cours de ce travail. La représentativité de l'enregistrement CO2 de Vostok est aussi discutée à partir de sa comparaison avec différents enregistrements glaciaires antarctiques. On constate que la teneur en CO2 de l'atmosphère pendant les interglaciaires est de 280 à 300 ppmv (partie par million en volume) hors de l'influence anthropique, alors que la concentration caractérisant les périodes glaciaires est d'environ 180 ppmv. Ces variations sont à mettre en parallèle à celles de la température en Antarctique qui présente des oscillations d'environ 10°C. Les causes des changements climatiques sont encore mal comprises. En comparant l'évolution temporelle du CO2 à celle des températures aux hautes latitudes Sud et Nord, du niveau des mers et de la quantité de poussières continentales parvenant à Vostok, ce travail met en évidence des liens de causalité possibles entre les variations de ces différentes paramètres. Par confrontation avec d'autres enregistrements climatiques (Groenland, enregistrements marins), nous proposons également des mécanismes susceptibles d'expliquer les changements glaciaire-interglaciaires de la teneur en CO2 de l'atmosphère, ainsi que l'enchaînement des évènements caractérisant les oscillations climatiques. Il ressort de cette étude que le rôle de l'hémisphère Sud semble prépondérant et que l'étendue de la glace de mer, en Atlantique Sud en particulier, pourrait jouer un rôle clef dans la genèse des changements climatiques glaciaire- interglaciaires.

A travers une approche systémique, l’objectif de cette thèse est de préciser les modes et les rythmes d’ajustement du continuum glacio-fluvial au changement climatique post-Petit Âge Glaciaire. À partir de la datation lichénométrique et de la quantification des réponses des systèmes glaciaire et fluvioglaciaire de quinze émissaires et sandurs sud-islandais, nous explorons l’éventail des scénarios d’ajustements observés, testons l’hétérogénéité et le caractère asynchrone des réponses glaciaires et fluvioglaciaires et cernons les variables de contrôle susceptibles d’expliquer la diversité des réponses mesurées. Sur la base des données collectées, traitées et analysées, nous avons pu : (1) mettre en évidence une asynchronie du maximum PAG glaciaire et une forte hétérogénéité de l’intensité de recul post-PAG des émissaires sud-islandais reflétant la nature fondamentalement complexe des ajustements glaciaires ; (2) suggérer l’existence de processus marginaux de contrôle des flux hydrosédimentaires s’apparentant à la criticalité auto-organisée ; (3) identifier un mode dominant d’ajustement fluvioglaciaire post-PAG pour les sandurs de type I et mettre en évidence l’indépendance relative des sandurs de jökulhlaup vis-à-vis des fluctuations glaciairesgh / Based on a systemic approach, this study intends to characterize the patterns and the temporal rhythms of the glacio-fluvial continuum adjustment to the post-Little Ice Age climate change. According to lichenometric dating and quantification of the glacial and fluvioglacial responses of fifteen glaciers tongues and sandurs in south-Iceland, the range of observed adjustments scenarios is explored. The heterogeneous and asynchronous nature of responses are tested and the variables controlling the observed adjustment variability are identified. Based on the collected and analyzed data sets: (i) we highlight the asynchronous LIA maximum extent of south-Icelandic glaciers and the significant heterogeneity in glacier fronts retreat intensity which both reflect the complex nature of glacier response to climate change; (ii) we suggest the existence of marginal processes akin to self-organized criticality which control sediment transport efficiency and water discharges; (iii) we identify a prevailing pattern for the post-LIA fluvial adjustment of sandur type I and the independent response of jökulhlaup sandur (type III) to glacier front fluctuations.

La décrue post-Petit Age Glaciaire en Haute Maurienne est abordée dans cette étude par trois angles de vision complémentaires. Les évolutions de l'englacement du bassin versant du Haut Arc pendant la décrue glaciaire post Petit Age Glaciaire sont reconstituées sur un échantillon d'une trentaine de glaciers à l'aide de différentes sources documentaires (archives, témoins géomorphologiques, clichés aériens et scènes satellitales). Les résultats sont exprimés sous la forme d'une série de cartes d'extension des glaciers et de diagrammes des surfaces relatives sur la période d'étude (1850-2000). Ces données aboutissent à une typologie des modes de décrue, révèlant un couplage efficace entre les forçages climatiques et ces glaciers alpins. La décennie 1990-2000 est marquée par une accélération synchrone de la décrue sur l'ensemble des glaciers.<br />Dans un deuxième temps, les impacts de la décrue sur l'hydrosystème proglaciaire sont étudiés à travers les enregistrements pluri décennaux des débits journaliers d'un torrent glaciaire (l'Avérole). Les analyses montrent une modification majeure du régime du torrent proglaciaire au cours de la dernière décennie. Cette évolution est interprétée comme une intensification du forçage climatique actuel. L'analyse à un pas de temps très fin d'un glacier instrumenté de 2002 à 2005 aboutit à un outil de suivi quotidien des caractéristiques du réseau de drainage glaciaire. Il s'avère que l'efficacité du réseau de drainage augmente fortement au cours de la saison d'ablation, principalement par un accroissement de la perméabilité du glacier. L'analyse des hydrogrammes de crue nous renseigne sur l'intensité des processus d'ablation à un pas journalier reliant les phénomènes de surface à la structure du réseau de drainage glaciaire. <br />Les impacts de la décrue sur le milieu glaciaire montrent une modification significative de l'environnement des glaciers au cours des 150 dernières années. La genèse des aléas d'origine glaciaire se transforme avec cette évolution du milieu, avec des atténuations ou au contraire l'apparition de nouveaux phénomènes. L'intensification de la décrue au cours de la dernière décennie induit la formation d'aléas préoccupants.

L'analyse des éléments traces dans les carottes de glace profondes provenant des régions polaires apportent de précieuses informations environnementales sur les sources naturelles de ces éléments, le transport longue distance de ces éléments et les mécanismes de dépôts des aérosols au cours du Quaternaire récent (les dernières centaines de milliers d'années). Dans cette étude, nous avons mesuré de nombreux éléments traces (Li, Mg, V, Cr, Mn, Co, Cu, As, Rb Sr, Cd, Ba, Ir, Pt, Hg (incluant MeHg et Hg2+), Pb (et les isotopes du Pb), Bi et U) dans diverses sections de trois carottes de glace profondes qui ont été forées en Antarctique et au Groenland dans le cadre de programmes internationaux: la carotte de Dome C/EPICA (derniers -220,000 ans), la carotte de Vostok (derniers -410,000 ans) et la carotte de GRIP (derniers -100,000 ans). Les analyses ont été réalisées en salle blanche par spectrométrie de masse à secteur magnétique couplée à un plasma induit (ICP-SFMS), par spectrométrie de masse à ionisation thermique (TIMS) et par spectrométrie de masse à temps de vol couplée à un plasma induit. Les résultats obtenus pour Ir et Pt montrent des preuves des retombées passées des produits de vaporisation et de recondensation des poussières météoritiques, vers les carottes polaires. Les flux de retombées des dérivés de poussières météoritiques ont été utilisés pour estimer le taux d'accrétion passés des particules interplanétaires sur la planète Terre. Le but étant également d'identifier d'anciens changements de la circulation atmosphérique Antarctique telle qu'une plus forte subsidence vers le plateau Antarctique de l'Est au cours des périodes climatiques froides.