Au Népal central , les filons du Haut-Himalaya se sont formés dans un régime tectonique qui était tantôt compressif tantôt extensif selon 3 directions principales (N I20- N150°E, N80-N110°E et N10-N40°E). I s sont pour la plupart de composition leucogranitique. La classification des filons faite en fonction de K20 et des silicates ferromagnésiens permet d'identifier, à la lumière des éléments en trace et des isotopes du Sr, les roches source et leurs modes de fusion. Les quantités de fluides apportées pendant l'anatexie ont varié : un apport d'eau permet un taux élevé de fusion des différents niveaux sources (grauwackes, schistes, gneiss) et donne des filons et des granites plutôt homogènes de type Manaslu (prédominance de la biotite sur la tourmaline, teneurs en K20 moyennnes). Par contre, en mode anhydre (région du Machhapuchare), les magmas, obtenus en moindres quantités (filons à biotite et/ou tourmaline, K20 très faible à très élevé), ont des compositions différentes selon les matériaux source. Les différents magmas ont enregistré les mêmes cristallisations fractionnées de la biotite, de la tourmaline et du plagioclase durant leur ascension. Cependant, en traversant les niveaux calciques de la Dalle du Tibet, une forte contamination en Ca (+Ba et Sr) a causé la précipitation d'un plagioclase plus calcique, modifiant ainsi le rapport AI/Si des liquides et entraînant à son tour la recristallisation des biotites, l'arrêt de la formation des muscovites et des modifications dans les tourmalines. Des estimations de Li20, F et Fe3+/FeTolal dans les micas et des calculs de H20 et Fe3+/FeTotal dans les tourmalines permettent de montrer une hausse des conditions d'oxydation depuis la Formation 1 vers le granite du Manaslu. Des âges K/Ar et 39Ar/40Ar obtenus à partir des filons et des roches encaissantes permettent de rediscuter du refroidissement de la Dalle du Tibet en fonction de perturbations hydrothermales d'ampleur régionale et créatrices d'excès d'argon radiogénique.

Au Népal central, dans la région de Katmandou, une étude géologique multidisciplinaire a été menée afin de caractériser et de distinguer les nappes cristallines de Katmandou et du Gosainkund, de celles du Moyen Pays (MP). Deux déformations principales ont été reconnues: l'une syn-métamorphique, enregistrée par des microstructures (linéation d'étirement, structures C-S, etc.), l'autre post-métamorphique, enregistrée par un axe anticlinal, orienté globalement W-E et par des plis orientés NNE-SSW. Les conditions P-T syn-métamorphiques diffèrent entre la nappe de Katmandou (900-720 MPa, 700-480°C) et celle du Gosainkund (890-580 MPa, 750-590°C). Entre le MP (750 MPa, 560°C) et la nappe du Gosainkund, les résultats P-T montrent une préservation du métamorphisme inverse. Les nombreuses similitudes pétrographiques et géochimiques existant entre les gneiss oeillés et les granites cambro-ordoviciens de deux nappes montrent que ces formations sont équivalentes. Tel ne saurait être le cas des gneiss oeillés du MP du fait de leur âge protérozoïque. L'âge du refroidissement, déterminée par la méthode 40 Ar/39 Ar sur muscovite, montre un rajeunissement du Sud vers le Nord (de 22 à 13 Ma dans la nappe de Katmandou, de 16 à 5 Ma dans celle du Gosainkund et de 12 à 6 Ma dans le MP). Les points principaux sont: (1) Distinction nette entre deux nappes, marquée par une différence de lithostratigraphie et de métamorphisme, (2) Blocage du mouvement ductile du MCT au Nord de Katmandou depuis environ 25 Ma, (3) Mise en place finale et histoire tardi ou postmétamorphique commune pour les deux nappes, mais le refroidissement plus précoce de la nappe de Katmandou, (4) La surrection actuelle de la région de Katmandou, soulignée encore aujourd'hui par une microséismocité intense, conceme indifféremment les deux nappes, qui forment maintenant un seul domaine tectonique, (6) La surrection conjointe des deux nappes par déplacement sur une rampe de la surface de décollement.

L'érosion, au même titre que la tectonique et le climat, est un acteur majeur de l'évolution des paysages. En effet dans les zones non-englacées, les rivières sont responsables de l'essentiel de l'érosion et du transport de masse à la surface de la Terre, qui sont des processus clés dans la dynamique orogénique. La mise en mouvement des matériaux constituant la charge de fond des rivières (sables, galets...) est sans doute un des principaux agents de transport et d'incision fluviale. Malgré le rôle prépondérant de la charge de fond, aucune méthode n'est totalement satisfaisante pour sa quantification. Les nombreuses stratégies actuellement employées nécessitent une installation in situ (dans les rivières) des dispositifs de mesures, qui ne peuvent être mis en œuvre que ponctuellement pour des conditions hydrodynamiques faibles à modérés. Cette limitation est problématique car l'essentiel de la charge de fond est mobilisée lors d'événements extrêmes. Une meilleure compréhension des processus d'érosion fluviale implique donc le développement d'un outil autorisant un suivi temporel continu avec une large couverture spatiale. Cette thèse explore le potentiel offert par la mesure et l'analyse du bruit de fond sismique produit par les rivières. À partir des données acquises au cours de l'expérience sismologique Hi-CLIMB, le potentiel d'une telle approche est testé le long de la rivière trans-himalayenne Trisuli (pour des sismomètres installés jusqu'à 2 km de la rivière). Pendant la mousson 2003, l'analyse spectrale des signaux continus montre une augmentation de plus de 20 dB et une cohérence entre la variation temporelle du bruit sismique dans la gamme en fréquence 3-15 Hz avec l'évolution temporelle des paramètres hydrologiques. En particulier, l'observation d'une hystérésis annuelle entre la hauteur d'eau et l'amplitude du bruit sismique prouve que la turbulence de l'eau n'est pas l'unique source de bruit et confirme la signature des mouvements de la charge de fond dans le signal sismologique. En appliquant des techniques basées sur la corrélation de bruit sismique entre paires de stations, et à l'aide de modélisations numériques, nous montrons également que ce transport solide se localise préférentiellement au front de la Haute-Chaîne, là où les taux d'incision sont élevés. Enfin, l'analyse spectrale révèle également un intérêt pour la détection et la localisation des processus de pente, nombreux en Himalaya (46 coulées de débris observées le long de la Trisuli pendant la saison des pluies 2003). Cette étude ouvre la voix d'une nouvelle approche permettant le suivi spatio-temporel de ces phénomènes et l'estimation des volumes érodés qui alimentent les rivières en sédiments. Afin d'explorer le domaine d'application de cette approche, le suivi sismique d'un torrent de montagne ayant une capacité de transport plus réduite a été réalisé dans le Massif des Écrins. Le traitement des données sismologiques et hydrologiques acquises durant les étés 2007 et 2008 met en évidence des corrélations entre la variation temporelle des débits liquides, solides et celles du niveau de bruit à haute-fréquence (2-90 Hz). Il apparaît que pour ce type de rivière les sismomètres doivent être installés à des distances de la rivière inférieures à 50 m pour détecter le signal généré par les fractions les plus fines de grains en mouvement. Un éloignement supérieur diminuera l'aptitude à les détecter. Cette dernière étude a mis en évidence la nécessité d'effectuer des expériences de calibration sur le terrain et en laboratoire. Partiellement initiée durant cette thèse, la calibration doit permettre de mieux exploiter la richesse du signal sismologique. À l'avenir, la recherche d'un site naturel, où les suivis hydrologiques et géomorphologiques denses sont effectués, est nécessaire pour calibrer un outil permettant de quantifier le transport de la charge de fond dans les rivières

In 1915, Alfred Wegener published his hypotheses of plate tectonics that revolutionised the world for geologists. Since then, many scientists have studied the evolution of continents and especially the geologic structure of orogens: the most visible consequence of tectonic processes. Although the morphology and landscape evolution of mountain belts can be observed due to surface processes, the driving force and dynamics at lithosphere scale are less well understood despite the fact that rocks from deeper levels of orogenic belts are in places exposed at the surface. In this thesis, such formerly deeply-buried (ultra-) high-pressure rocks, in particular eclogite facies series, have been studied in order to reveal details about the formation and exhumation conditions and rates and thus provide insights into the geodynamics of the most spectacular orogenic belt in the world: the Himalaya. The specific area investigated was the Kaghan Valley in Pakistan (NW Himalaya). Following closure of the Tethyan Ocean by ca. 55-50 Ma, the northward subduction of the leading edge of India beneath the Eurasian Plate and subsequent collision initiated a long-lived process of intracrustal thrusting that continues today. The continental crust of India – granitic basement, Paleozoic and Mesozoic cover series and Permo-Triassic dykes, sills and lavas – has been buried partly to mantle depths. Today, these rocks crop out as eclogites, amphibolites and gneisses within the Higher Himalayan Crystalline between low-grade metamorphosed rocks (600-640°C/ ca. 5 kbar) of the Lesser Himalaya and Tethyan sediments. Beside tectonically driven exhumation mechanisms the channel flow model, that describes a denudation focused ductile extrusion of low viscosity material developed in the middle to lower crust beneath the Tibetan Plateau, has been postulated. To get insights into the lithospheric and crustal processes that have initiated and driven the exhumation of this (ultra-) high-pressure rocks, mineralogical, petrological and isotope-geochemical investigations have been performed. They provide insights into 1) the depths and temperatures to which these rocks were buried, 2) the pressures and temperatures the rocks have experienced during their exhumation, 3) the timing of these processes 4) and the velocity with which these rocks have been brought back to the surface. In detail, through microscopical studies, the identification of key minerals, microprobe analyses, standard geothermobarometry and modelling using an effective bulk rock composition it has been shown that published exhumation paths are incomplete. In particular, the eclogites of the northern Kaghan Valley were buried to depths of 140-100 km (36-30 kbar) at 790-640°C. Subsequently, cooling during decompression (exhumation) towards 40-35 km (17-10 kbar) and 630-580°C has been superseded by a phase of reheating to about 720-650°C at roughly the same depth before final exhumation has taken place. In the southern-most part of the study area, amphibolite facies assemblages with formation conditions similar to the deduced reheating phase indicate a juxtaposition of both areas after the eclogite facies stage and thus a stacking of Indian Plate units. Radiometric dating of zircon, titanite and rutile by U-Pb and amphibole and micas by Ar-Ar reveal peak pressure conditions at 47-48 Ma. With a maximum exhumation rate of 14 cm/a these rocks reached the crust-mantle boundary at 40-35 km within 1 Ma. Subsequent exhumation (46-41 Ma, 40-35 km) decelerated to ca. 1 mm/a at the base of the continental crust but rose again to about 2 mm/a in the period of 41-31 Ma, equivalent to 35-20 km. Apatite fission track (AFT) and (U-Th)/He ages from eclogites, amphibolites, micaschists and gneisses yielded moderate Oligocene to Miocene cooling rates of about 10°C/Ma in the high altitude northern parts of the Kaghan Valley using the mineral-pair method. AFT ages are of 24.5±3.8 to 15.6±2.1 Ma whereas apatite (U-Th)/He analyses yielded ages between 21.0±0.6 and 5.3±0.2 Ma. The southern-most part of the Valley is dominated by younger late Miocene to Pliocene apatite fission track ages of 7.6±2.1 and 4.0±0.5 Ma that support earlier tectonically and petrologically findings of a juxtaposition and stack of Indian Plate units. As this nappe is tectonically lowermost, a later distinct exhumation and uplift driven by thrusting along the Main Boundary Thrust is inferred. A multi-stage exhumation path is evident from petrological, isotope-geochemical and low temperature thermochronology investigations. Buoyancy driven exhumation caused an initial rapid exhumation: exhumation as fast as recent normal plate movements (ca. 10 cm/a). As the exhuming units reached the crust-mantle boundary the process slowed down due to changes in buoyancy. Most likely, this exhumation pause has initiated the reheating event that is petrologically evident (e.g. glaucophane rimmed by hornblende, ilmenite overgrowth of rutile). Late stage processes involved widespread thrusting and folding with accompanied regional greenschist facies metamorphism, whereby contemporaneous thrusting on the Batal Thrust (seen by some authors equivalent to the MCT) and back sliding of the Kohistan Arc along the inverse reactivated Main Mantle Thrust caused final exposure of these rocks. Similar circumstances have been seen at Tso Morari, Ladakh, India, 200 km further east where comparable rock assemblages occur. In conclusion, as exhumation was already done well before the initiation of the monsoonal system, climate dependent effects (erosion) appear negligible in comparison to far-field tectonic effects. / Seit der von Alfred Wegener 1915 postulierten Hypothese der Plattentektonik haben viele Forscher Anstrengungen unternommen die Entstehungsgeschichte und den geologischen Aufbau von Gebirgen nachzuvollziehen. Oberflächennahe Abläufe sind ansatzweise verstanden, während Prozesse im Erdinneren weit weniger bekannt sind. Informationen hierüber können jedoch aus den Gesteinen, ihren Mineralen und wiederum deren chemischen Komponenten gewonnen werden, da diese die Entstehung und Entwicklung der Gebirgsbildung “miterlebt”, und wichtige Informationen gespeichert haben. In dieser Arbeit wurden dazu exemplarisch (Ultra-) Hochdruckgesteine ((U-)HP), sogenannte Eklogite, und deren Umgebungsgesteine aus dem nordwestlichen Himalaja, insbesondere aus dem Kaghan Tal in Pakistan untersucht um den Exhumationsprozess von tief subduzierten Krustengesteinen im allgemeinen, und im Hinblick auf mögliche klimabedingte Einflüsse, besser zu verstehen. Die Bildung des Himalajas ist auf die Versenkung, eines südlich der eurasischen Platte angesiedelten Ozeans, der Tethys, und die nachfolgende Kollision Indiens mit dem Eurasischen Kontinent vor und seit etwa 50-55 Millionen Jahre zurück zu führen. Dabei wurden kalter, dichter Ozeanboden und leichtere Krustensegmente rasch in große Tiefen subduziert. Heute sind diese Hochdruck- und ultra Hochdruckgesteine in einigen Bereichen des Himalaja zwischen schwach metamorph überprägten (600-640°C/ca. 5 kbar) Gesteinen und alten Sedimenten der Tethys aufgeschlossen. Anhand von petrographischen, mineral-chemischen, petrologischen und isotopen-geochemischen Untersuchungen dieser (Ultra) Hochdruckgesteine konnte ich zeigen, dass 1) die Gesteine in über 100 km Tiefe also bis in den Erdmantel vordrangen, 2) sie bei ihrem Aufstieg in Krustenbereiche von 40-35 km zuerst von 790-640°C auf 630-580°C abgekühlten um danach wieder auf 720-650°C aufgeheizt zu werden, sie 3) innerhalb von 700.000 Jahren um mindestens 60 km Richtung Erdoberfläche exhumiert wurden und somit 4) Geschwindigkeiten von 9-14 cm pro Jahr erreichten, die der normaler Plattengeschwindigkeiten (>10 cm/a) entspricht, wobei sich 5) dieser Prozess ab 40-35 km auf 0.1-0.2 cm/a stark verlangsamte und auch 6) ab einer Tiefe von 6 km bis zur Erdoberfläche keine, z. B. niederschlagsbedingt, erhöhte Abkühlungsrate zu erkennen ist. Eine schnelle initiale Exhumierung erfolgte durch den Dichteunterschied von leichtem, subduzierten Krustengestein zum dichteren Mantel. Dieser Prozess kam an der Krusten-Mantel-Grenze nahezu zum erliegen, einhergehend mit einer sekundären Aufheizung des Gesteins und wurde, jedoch weit weniger schnell, durch die Kollision der beiden Kontinente Eurasien und Indien und dadurch bedingte Überschiebungen, Faltungen und gravitative Abschiebungen fortgesetzt, die Gesteine zur Oberfläche transportiert und dort freigelegt. Eine erosions- und damit klimabedingte Beschleunigung oder gar gänzlich davon abhängige kontinuierliche Exhumation konnte in dieser Region des Himalajas nicht bestätigt werden. Vielmehr belegen die Daten eine mehrstufige Exhumation wie sie auch im Tso Morari Gebiet (NW Indien) angenommen wird, für weitere Ultrahochdruckareale wie, z. B. das Kokchetav Massif (Kasachstan), den Dabie Shan (China) oder den europäischen Varisziden (z. B. Böhmisches Massiv) jedoch noch geklärt werden muss, um generell gültige Mantel- und Krustenprozesse abzuleiten.

Dans la zone de suture de l'Indus en l'Himalaya du Ladakh, l'étude lithostratigraphique, biostratigraphique, sédimentologique, pétrographique et structurale, conduit à différencier plusieurs catégories d'unités: - les unités appartenant à la marge nord néotéthysienne ; - des témoins de l'espace océanique néotéthysien ; - des unités de marge distale sud néotéthysienne (nord-indienne), Ces données, associées à une interprétation en terme de stratigraphie séquentielle, permettent de préciser la paléogéographie du Bloc du Ladakh avant et pendant la subduction de la Néotéthys sous l'Eurasie, puis d'envisager son évolution structurale pendant la collision. * Avant la subduction, le bloc du Ladakh, situé vers l'équateur, se présentait sous la forme d'une vaste étendue de lithosphère océanique d'âge jurassique , moyen englobant quelques témoins isolés de nature continentale. * Le volcanisme d'arc y a débuté au Crétacé inférieur, avant l'Aptien (probablement au Barrémien), soit plus tôt que dans le Bloc de Lhasa (Albien). Les premiers épanchements volcaniques sous-marins voisinaient avec des turbidites volcano-sédimentaires et des flyschs à blocs, * Développement de l'arc insulaire : pendant la période Aptien-Albien inférieur se sont déposées, dans les bassins, des turbidites volcanodétritiques. Simultanément, des plates-formes carbonatées à rudistes s'installaient sur le pourtour des parties émergées de l'arc, Ensuite, tandis que les régions de l'arc intrudée par les plutons se soulevaient, le bassin d'avant-arc s'enfonçait, et voyait le développement des cônes sous-marins. Ce type de sédimentation s'est poursuit jusqu'au Paléocène supérieur, * Derniers dépôts marins: à partir de la fin du Paléocène le bassin d'avant-arc devint le siège d'une épaisse sédimentation marine infra à supra-littorale détritique, admettant des passées lenticulaires de calcaires bioclastiques. A la fin de l'Eocène inférieur, le bassin marin résiduel situé entre les deux marges disparut brutalement, sous l'effet conjugué de la collision et d'un pic régressif eustatique accusé. * structuration pendant la collision: la partie sud du bassin d'avant-arc fut affectée par des chevauchements vers le Sud. Ensuite, les unités structurales ainsi crées furent redressées et basculées vers le Nord. Dans la zone de suture s'individualisa alors le bassin des formations continentales d'épisuture, dont le substratum était constitué d'unités structurales des deux anciennes marges. Au cours des stades ultimes du serrage, cet ensemble fut affecté par des charriages à vergence nord.

La vitesse de convergence intersismique de l'Himalaya - paramètre essentiel dans l'étude du cycle sismique - est débattue depuis plusieurs années. Pour contraindre cette dernière, nous avons combiné avec succès des données géodésiques de campagne, de stations cGPS et de stations DORIS, pour déterminer le mouvement de la plaque indienne ainsi que la déformation crustale actuelle au travers de l'Himalaya du Népal. Il ressort que le mouvement de l'Inde par rapport à l'Eurasie, que nous estimons à 35mm.an-1, est significativement moins rapide que celui déduit des modèles géologiques globaux de tectonique des plaques. Le modèle de déformation crustale au travers de l'Himalya oriental et central indique que le MHT est bloqué sur une distance d'environ 115 km, de la surface jusqu`à une profondeur d'environ 20 km sous le front de la haute chaîne. Le raccourcissement horizontal, induit par un fluage ductile le long de la partie la plus profonde du MHT, correspond<br /> à 19 ± 2.5 mm.an-1 dans le Centre-Est Népal. Au travers du Népal occidental, le modèle de la déformation et le taux de raccourcissement évalué sont de 13.4 ± 5 mm.an-1, taux moins contraint, par manque de stations cGPS.<br /><br /> L'analyse des séries temporelles GPS a montré, outre le terme séculaire, des variations saisonnières importantes, notamment sur la composante horizontale perpendiculaire à la chaîne himalayenne. Nous avons pu mettre en évidence que ces variations saisonnières ne<br /> provenaient pas d'un artéfact de traitement, mais de la réponse flexurale de la croûte continentale à un chargement des aquifères situés dans la plaine du Gange. La réponse élastique de la lithosphère à cette charge saisonnière induit des variations de <br /> contrainte de Coulomb au niveau des l'essaim microsismique mi-crustal himalayen. Ces variations permettent d'expliquer au premier ordre les variations de taux de sismicité saisonnières<br /> mises en évidence à l'échelle du catalogue de sismicité népalais.<br /> <br /> L'étude microstructurale de quartzites nous a, par ailleurs, permis d'estimer les contraintes différentielles présentes autour de la transition fragile-ductile. A partir de la combinaison de données thermométriques, structurales, géodésiques et paléopiézométriques,<br /> une loi rhéologique expérimentale des quartzites du Moyen-Pays himalayen a pu être définie. La détermination de cette loi de fluage apporte une contrainte supplémentaire à la connaissance de la structure rhéologique de la lithosphère continentale himalayenne,<br /> un paramètre essentiel dans les modèles mécaniques du cycle sismique.

L'objectif principal de cette thèse est de restituer l'évolution passée des moussons asiatiques au cours du Quaternaire et d’en évaluer leurs impacts sur l’érosion continentale et les transferts sédimentaires terre-mer, à partir de l’étude de carottes marines collectées dans la Baie du Bengale, l'ouest de la mer des Philippines et la mer d'Arabie. La stratégie scientifique mise en œuvre implique des analyses minéralogiques (argiles), sédimentologiques (granulométrie laser) et géochimiques (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et εNd) afin de restituer les zones sources sédimentaires, les conditions d’érosion et de transfert sédimentaires à l’océan. Les analyses de la concentration en élément des terres rares et des valeurs de l’εNd ont également été faites sur des échantillons d’eau de mer et de foraminifères collectés dans la Baie du Bengale afin de contraindre l’utilisation de ce traceur dans un contexte de très forts changements saisonniers de débit des fleuves Himalayens. Cette stratégie nous a permis, entre autre, de restituer les précipitations de mousson du domaine ouest tropical Pacific au cours du Quaternaire et d’établir un lien avec l’évolution à long terme de la dynamique de circulation méridienne de type ENSO. Nous avons également apporté de nouvelles contraintes sur l’utilisation du traceur εNd dans les foraminifères de la Baie du Bengale en vue d’en restituer la dynamique passée de l’érosion himalayenne. / The main objective of this PhD study is to reconstruct the evolution of the Asian monsoons during the Quaternary and their impacts on the continental erosion and sedimentary transfers from land to sea by the investigation of sediments cores collected in the Northern Bay of Bengal, the western Philippines Sea and the Arabian Sea. The implemented scientific strategy involves mineralogical (clay size fraction), sedimentological (grain-size laser) and geochemical (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr and εNd) analyses in order to establish sedimentary sources, conditions of erosion and transfer of sediments to the Ocean. The analyses of the concentration of Rare Earth Elements (REE) and εNd were also made on seawater and foraminifera samples to better constrain the εNd as a proxy of weathering in a context of strong seasonal variations of sediment discharges by Himalayan rivers. Clay mineralogy and laser grain-size analyses have been conducted on sediments from core MD06-3050 collected on the Benham Rise (Philippines Sea). Siliciclastic grain-size results indicate variations of the relative proportion of three grain-size sub-populations corresponding to eolian dusts (EM2 about 9-11 μm) and Luzon rivers inputs (EM1 about 2-5 μm and EM3 about 19-25 μm). The long-term evolutions of the EM1/EM2 and smectite/(illite+chlorite) ratios permit to reconstruct variations of the contribution of detrital material deriving from the volcanic arc of Luzon and rainfall intensity of this tropical region. At long time scale, periods of intensification of monsoon rainfall on Luzon are associated to a reduction of precipitation on central China. These periods are also associated to an increase of the zonal gradient of sea surface temperatures on the equatorial Pacific Ocean suggesting a strengthening of El Niña conditions. These results highlight for the first time a strong role of the dynamics of the meridian circulation of ENSO on the long-term changes of rainfall of the tropical western Pacific during the Quaternary. In the Arabian Sea, clay mineralogy, siliciclastic grain-size, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio and εNd were analysed on Quaternary sediments of the IODP site U1457. Our results suggest a change in the relative proportions of sediments from the Deccan Trapps (smectite) and the Indus river (mainly illite and chlorite). Variability of sedimentary sources and sediment transport (turbidites activity) to the Indus Fan have been reconstructed and attributed to monsoon rainfall and the sea level variations. The concentrations of REE combined with εNd were analysed on seawater samples collected in June 2012 along a North-South cross section in the Bay of Bengal. We highlighted from normalized REE patterns that the contributions of dissolved REE from the Ganges-Brahmaputra river system was the main source of the dissolved REE of surface waters of the Bay of Bengal, whereas the desorption of lithogenic particles dominate the dissolved REE of the intermediate and deep waters masses. We then revalued the residence time of the dissolved REE in the Bay of Bengal. A comparison of εNd, obtained just before the increase of the Ganges-Brahmaputra river discharge inferred by Indian monsoon rainfall, with the results obtained by Singh and al. (2012) for seawater samples collected after the peak of river discharge, allowed us to highlight for the first time a seasonal variability of seawater εNd of the Bay of Bengal. εNd have been analysed on planktonic foraminiferas of core MD77-176 located at 1375 m water depth to reconstruct for the first time the seawater εNd record of the intermediate waters masses of northern Bay of Bengal for the last 27 kyr. This new seawater εNd record of the Northern Bay of Bengal give us new constrain for this proxy already used to reconstruct past changes of the Himalayan weathering.

La vitesse de surrection du l’Himalaya et du plateau tibétain tout au long du Cénozoïque reste encore aujourd’hui largement débattue. L’analyse des isotopes stables de l’oxygène pour reconstruire les paléo-altitudes est considérée comme une technique très efficace et a été largement utilisée. Néanmoins, cette méthode a deux limites principales: 1) les relations entre δ18O et climat ne sont pas bien établies et 2) le climat Cénozoïque en Asie est mal contraint. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le lien entre la surrection des montagnes, les changements climatiques associés et le δ18O dans la paléo-précipitation. Nous utilisons le modèle de circulation générale atmosphérique isotopique LMDZ-iso. Nos simulations climatiques montrent que le retrait de la Paratéthys, le déplacement latitudinal de l’Inde et l’altitude du plateau tibétain contrôlent les précipitations et la variabilité de la mousson en Asie. Afin de comprendre où et comment ces changements climatiques liés à la surrection des montagnes affectent le δ18O, nous avons proposé une expression théorique de la composition isotopique des précipitations fondée sur la distillation de Rayleigh. Nous avons montré que seulement 40 % des sites échantillonnés de l’Himalaya et du plateau tibétain contiennent une signature isotopique représentant la topographie. Les résultats obtenus dans cette étude montrent que l’Himalaya pourrait avoir atteint son altitude actuelle plus tardivement que précédemment proposé. Des conditions aux limites réalistes nous permettent de reconstruire le δ18O des paléo-précipitations pour quatre époques du Cénozoïque (55, 42, 30 et 15 Ma). Dans la mesure où les reconstructions des paléo-altitudes sont particulièrement controversées pour les premières étapes de l’évolution du plateau tibétain, nous avons ensuite approfondi notre étude en nous focalisant sur l’Eocène (en utilisant une paléogéographie qui correspond à 42 Ma). Pour ce cas, nous montrons que le δ18O des précipitations est insensible à l’altitude en Asie, tandis que le δ18O dans les archives naturelles (carbonates) enregistre le signal de la paléo-élévation puisque le fractionnement entre la calcite et l’eau est sensible à la température, qui elle-même dépend en partie de l’altitude. La comparaison du δ18O simulé pour l’Eocène avec les données du δ18O mesuré dans les carbonates suggère que, pendant l’Eocène, l’Himalaya et le plateau tibétain n’avaient pas encore atteint leur élévation actuelle (> 3000 m). / The timing and rate of surface elevations of the Himalayas and the Tibetan Plateau remain controversial and their impact on Asian climate and the onset of monsoon systems in this area is highly debated. Stable oxygen paleoaltimetry is considered to be a very efficient and widely applied technique, but has limitations from two sides: 1) the link between stable oxygen composition of precipitation and climate is not well established, 2) Cenozoic climate over Asia is poorly reconstructed. With a purpose of filling the gap in our knowledge of climate variability over Asia during the Cenozoic, we use the isotope-enabled atmospheric general circulation model LMDZ-iso to understand the links between the growth of mountains, associated climate changes and δ18O in paleo-precipitation. Our results show a significant influence of the Paratethys retreat, the latitudinal displacement of India and the height of the Tibetan Plateau on Asian hydrological cycle. For the purpose of understanding where and how the climatic changes linked with the growth of mountains affect δ18O in precipitation, we develop a theoretical expression for the precipitation composition based on the Rayleigh distillation and show that only 40% of sampled sites for paleoaltimetry depict signal attributed to topography changes. We conclude that the Himalayas may have attained their current elevation later than expected. Realistic Cenozoic boundary conditions allow us reconstructing δ18O in paleoprecipitation for several periods during the Cenozoic (for 55 Ma, 42 Ma, 30 Ma and 15 Ma). The focus has been put on the Eocene (42 Ma), since paleoelevation reconstructions are particularly controversial for this time. We show that Eocene precipitation δ18O is rather insensitive to topographic height in Asia. However, carbonate δ18O still records paleo-elevation because the fractionation between calcite and water is sensitive to temperature, which partly depends on altitude. Comparison of simulated Eocene δ18O patterns with data from the carbonate archives suggest that the Himalayas and the Tibetan Plateau did not reach present-day (> 3000 m) elevations during the Eocene.

Climate change is affecting several environmental factors and together with socio-economic changes put high pressure on water resources. Climate change manifest itself through increasing temperatures and changes in precipitation patterns and intensities, with knock-on effects on hydrologically-relevant parameters such as water flows, evapotranspiration rates, glacial melt etcetera, all of which have already been observed in the recent past and are predicted to continue in the future. India has the world’s second largest population. The majority of the population live in rural areas and are dependent on climate sensitive sectors such as agriculture, forestry and fishery. The Indian-Himalayan region supplies 600 million people with water, thus future climate change impacts on the hydrological cycle in the area are of great interest and concern. In order to cope with these predicted impacts, there is a need to adapt to the changing climate. This study combines data analyses from a hydro-climatic modelling campaign (carried out externally to this thesis), a literature review on climate change effects on agriculture and opportunities to adapt to these effects and participatory methods bringing stakeholders and scientists together in order to co-create adaptation options that are suitable to minimise short- and long-term climate change impacts on the water flows of the Ganges and hence agriculture in the region. The study concentrates on two districts in the Indo-Gangetic Plain that are characterised by their high dependency on the farming sector: Uttarkashi (upstream Ganges, Uttarakhand) and Patna (downstream Ganges, Bihar). The analysis of hydro-climatic data based on a modelling campaign focussed on three climate variables that are of significance for agriculture: precipitation, temperature, and evapotranspiration. To characterise future climates, four climate change projections based on IPCC’s representative concentrations pathways (RCPs) have been chosen: RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0, and RCP 8.5. The impacts of these scenarios on the above listed three climate variables are analysed over three time periods: 2011-2040, 2041-2070, and 2071-2100, with a special focus on the monsoon months from June to October, as this is the main crop (rice) growing season. The results from the hydro-climatic modelling indicate that the maximum, minimum, and average temperature will be increasing over the next century in both districts. An increase in evapotranspiration can be seen for both districts, with a few exceptions for RCP scenarios 2.6, 6.0 and 8.5 in April and May in Patna, and for all RCP scenarios in April, May and June in Uttarkashi. An increase in maximum and average precipitation can be seen for most RCP scenarios and future time periods (e.g. of exceptions in average precipitation: RCP 4.5 and 8.5 in June and July in the period 2011-2040) during the monsoon period in Patna. Similarly, in Uttarkashi maximum and average precipitation increases for all three time periods and RCP scenarios during the monsoon months of September and August (only for RCP scenarios 2.6 and 8.5). For the remaining months, the precipitation patterns show great variability for all scenarios and both regions. The literature review resulted in a table of adaptation options, where nine out of 63 were considered as transformational adaptation, and enabled identification of possible climate change impacts on agriculture in the two districts. The minimum temperature could result in more severe and intense hailstorms in the future for both districts. The increase in temperature could lead to a prolonged growing season in Uttarkashi, whilst the increase in average and maximum temperature in Patna could lead to heat-stress for the crops. Furthermore, the increase in average and maximum precipitation could lead to more severe and intense natural disasters e.g. landslides in Uttarkashi and floods in Patna. Moreover, the increase in average evapotranspiration combined with the decrease in average precipitation during some months could lead to an increasing need of irrigation. Two workshops were held in the region with the aim to bring together researchers and stakeholders (e.g. famers) in order to jointly discuss 1) the suitability of hydrological modelling data for preparing the agriculture sector to a changing climate, and 2) suggest suitable adaptation options based on researchers’ and stakeholders’ knowledge and experience. Information from the first workshop was obtained by a workshop report, whilst information from the second workshop was obtained from the author’s own participation. The result from the workshop showed that the farmers had several suggestions of suitable adaptation options e.g. implementation of irrigation system and improved access to credit. It also showed that the farmers already adapted to climate change e.g. usage of short- and long duration variations of rice and sowing date adjustment. The combination of these results informed the suggestions for adaptation options for the two districts, namely the development of disaster reduction plans and early warning systems for weather extremes, as well as a diversification of agriculture and more generally livelihoods. In addition, indirect adaptation measures suggested for both districts included insurance schemes against yield failure, improved access to credit schemes, and right/fair market prices. Specific measures for each district were also suggested e.g. heat-tolerant crops in Patna and implementation or irrigation systems in Uttarkashi. / Klimatförändringarna påverkar åtskilliga miljöfaktorer och tillsammans med socioekonomiska förändringar sätter de stort tryck på vattenresurser. Klimatförändringar manifesterar sig i stigande temperaturer och ändrade nederbördsmönster och nederbördsintensitet, med påföljande effekter på hydrologiskt relevanta parametrar så som vattenflöden, evapotranspirationsvärden, smältande glaciärer etcetera, vilka alla är effekter som redan observerats och är förutspådda att fortsätta under innevarande århundrande. Befolkningen i Indien är näst störst i världen. Större delen av befolkningen i Indien bor på landsbygden och är beroende av klimatkänsliga sektorer så som jordbruk, fiske och skogsbruk. Indiska Himalaya förser 600 miljoner människor med vatten, framtida effekter på den hydrologiska cykeln, orsakade av klimatförändringarna i området, är därför av största intresse. För att kunna hantera de framtida effekterna orsakade av klimatförändringarna är det viktigt att implementera klimatanpassningsstrategier. Den här studien kombinerar data analyser från en hydro-klimatisk modelleringskampanj (som är genomförd externt till det här arbetet), litteraturstudie över effekter på jordbruk orsakade av klimatförändringar och möjligheter att anpassa sig till dessa förändringar, samt involverar preferenser och kunskaper från intressenter inom det aktuella området för att kunna identifiera lämpliga klimatanpassningsstrategier. Studien har ett huvudfokus på klimatanpassning för jordbruksområden i två distrikt i Indien: Uttarkashi (uppströms Ganges, Uttarakhand) och Patna (nedströms Ganges, Bihar). Analysen av hydro-klimatisk data, baserad på en modelleringskampanj, fokuserar på tre klimatvariabler som är av betydelse för jordbrukssektor: nederbörd, temperatur, och evapotranspiration. För att kunna karakterisera framtida klimat har IPCCs fyra representativa koncentrationsvägar (RCPs) tagits hänsyn till: RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0, och RCP 8.5. Effekterna av dessa scenarier på de tre ovan listade klimatvariablerna är analyserade över tre framtida tidsperioder: 2011-2040, 2041-2070, 2071-2100, med ett speciellt fokus på monsunperioden från juni till oktober. Resultatet från analysen av hydro-klimatisk data indikerar en ökning under århundrandet i minimal, maximal, och genomsnittlig temperatur i båda distrikten. En ökning i evapotranspiration för båda distrikten kunde också identifieras, med några få undantag för RCP 2.6, 6.0 och 8.5 i april och maj i Patna, samt för alla RCP scenarier i april, maj och juni för Uttarkashi. Trender i nederbörd visar en ökning i maximal och genomsnittlig nederbörd för nästan alla scenarier under monsunperioden i Patna (exempel på scenarier där den genomsnittliga nederbörden inte ökar är RCP 4.5 och 8.5 i juni och juli under perioden 2011-2040). En ökning i maximal och genomsnittlig nederbörd identifierades i september för alla RCP scenarier och framtidsperioder, samt i augusti för RCP 2.6 och 8.5 i Uttarkashi. Kvarvarande månader visar på stor variabilitet i nederbörd för alla scenarier i båda distrikten. Litteraturstudien resulterade i en tabell med klimatanpassningsstrategier, där nio av 63 ansågs vara transformerande, samt identifierade möjliga effekter på jordbruket i de två distrikten orsakade av klimatförändringar. Ökningen i minimal temperatur kan leda till mer allvarliga och intensifierade hagelstormar i framtiden. Temperaturökningen kan i Uttarkashi leda till förlängd odlingssäsong medan ökningen i genomsnittlig och maximal temperatur kan leda till värmestress på grödorna i Patna. Vidare gäller att ökningen i maximal och genomsnittlig nederbörd kan leda till mer allvarliga naturkatastrofer i framtiden som exempelvis jordskred i Uttarkashi och översvämningar i Patna. Ökningen i evapotranspiration kombinerat med minskningen i genomsnittlig nederbörd under vissa månader skulle kunna leda till ett ökat bevattningsbehov. Två ”worskhops” anordnades i regionen med målet att sammanföra forskare och intressenter (exempelvis bönder) för att gemensamt diskutera 1) lämpligheten av användandet av hydrologiskt modellerad data för att förbereda jordbruket på klimatförändringar, och 2) föreslå lämpliga klimatanpassningsstrategier baserat på forskarnas och intressenternas kunskap och erfarenheter. Informationen från den första workshopen erhölls genom en workshoprapport, medan informationen i den andra workshopen erhölls genom författarens eget deltagande i workshopen. Resultatet från workshopen visade på att bönderna hade flertalet egna föreslag vad gäller lämpliga klimatanpassningsstrategier så som exempelvis implementerande av bevattningssystem och ökade kreditmöjligheter. Bönderna hade även börjat anpassa sig till klimatförändringar genom exempelvis ha lång- och korttids variationer av ris samt att de hade flyttat på datumet för sådden. Kombinationen av hydro-klimatisk data, litteratur och intressentpreferenser och kunskap möjliggjorde förslag på klimatanpassningsstrategier i de två distrikten. Strategier för att reducera skador på grödor och jordbruksmark orsakade av extrema händelser, varningssystem som varnar i ett tidigt skede, och diversifiering av försörjning är direkta klimatanpassningsstrategier som identifierades för båda distrikten. Försäkringslösningar, ökade kreditmöjligheter, och ett rättvist marknadspris var indirekta anpassningsstrategier som identifierats för båda distrikten. Även specifika anpassningsstrategier för respektive distrikt har identifierats, där exempelvis värme-tåliga grödor identifierades som viktigt för Patna och implementering av bevattningssystem identifierades som extra viktigt för Uttarkashi.

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