L'objectif de cette thèse est d'arriver à mieux contraindre les paramètres qui contrôlent les processus d'altération à l'échelle d'un petit bassin versant, en se focalisant plus précisément sur le rôle de l'hydrologie. Pour ce faire, les variations temporelles et spatiales des signatures chimiques et isotopiques (U, Sr) des eaux du bassin versant du Ringelbach (Vosges, France) sont étudiées. Plusieurs sources de ce bassin versant, essentiellement composé d'un granite plus ou moins fracturé, ont été échantillonnées mensuellement sur une période de deux ans, le long d'un profil altitudinal. Ce bassin versant présente également l'avantage d'être équipé de trois forages profonds (allant jusqu'à 150 mètres de profondeur) qui ont permis de prélever à la fois les roches et les eaux profondes. Sur la base de l'interprétation géochimique des eaux, la connectivité des différents compartiments hydrologiques a été évaluée et un schéma de fonctionnement hydrogéochimique est proposé s'appuyant sur une bonne connaissance du contexte géologique. Enfin, un taux d'altération et un flux d'eau sont estimés à partir d'une modélisation de l'évolution du rapport isotopique de l'uranium (234U/238U) le long d'un trajet d'eau. L'originalité de cette étude est également de coupler cette approche de traçage géochimique avec une approche modélisatrice en utilisant le logiciel KIRMAT (Kinetic Reactions and Mass transport) qui intègre les équations des réactions géochimiques (dissolution/précipitation) et les équations de transport (1D). Il est ainsi possible de simuler le transport réactif d'une eau traversant la roche le long d'un certain trajet d'eau. Cette modélisation s'appuie sur la caractérisation minéralogique, des propriétés physiques des échantillons de roches prélevés le long des forages et sur les interprétations géochimiques des eaux. Ainsi, la modélisation de la composition chimique des eaux de sources et des eaux de forages a permis d'affiner la compréhension des processus d'altération, notamment le rôle des phases secondaires précipitées. Celle-ci permet également une meilleure compréhension des phénomènes de couplage entre les différents paramètres qui contrôlent la signature chimique des eaux à l'échelle du bassin versant.

Les systèmes qui se développent dans les roches carbonatées gardent une plus ou moins grande mémoire des épisodes responsables de leur recharge. Les études hydrodynamiques diachroniques (analyse des courbes de récession et ajustement à des lois mathématiques) ou l'exploitation statistique des données (étude des débits classés, analyse corrélatoire et spectrale) permettent de mettre en évidence cette mémoire et de la quantifier en termes de réserves. L'hydrochimie est aussi un outil très puissant pour l'étude de la mémoire du système, car elle permet, grâce à son aspect qualitatif, de préciser l'origine des masses d'eaux transitant par l'exutoire, et ainsi d'affiner la reconstitution du fonctionnement hydrocinématique de l'aquifère. Cette reconstitution a été tentée à partir de deux démarches complémentaires, le suivi diachronique, étude des variations temporelles de concentration ou de flux physico-chimique d'émergences sélectionnées (suivi hebdomaclaire du Pont de Gys en Haute-Savoie, du Verneau dans le Doubs, du Baget en Ariège et de la Fontaine de Vaucluse, suivi quotidien de la Fontaine de Vaucluse, du Groseau et d'Aurel dans le Sud-Est de la France), et le cliché synchrone, prospection spatiale d'une province hydrogéologique à une période judicieusement choisie (Jura, Haut-Doubs, Haute-Saône et Sud-Est de la France). Les deux modes d'approche fournissent des résultats concordants: le système karstique en période hydrodynamiquement réputée non influencée (tarissement s.s.) garde la mémoire d'épisodes de recharge ayant modifié la chimie de la réserve assurant ce tarissement. Inversement, les abondantes précipitations responsables d'une montée de crue peuvent mobiliser d'importants volumes d'une eau à marque chimique de la réserve : le système en crue garde l'empreinte chimique de ses réserves. Le fonctionnement hydrocinématique des systèmes résulte donc de l'interaction de ces deux types de mémoire: mémoire à court terme et à long terme. La première partie de ce travail traite du suivi des paramètres physico-chimiques au cours du cycle hydrologique ainsi qu'en étiage. L'analyse des données montre que pendant le tarissement au sens strict les teneurs caractéristiques des réserves permanentes du système oscillent de manière aléatoire, aux erreurs analytiques près, autour d'une moyenne caractéristique de l'état hydrodynamique et hydrochimique de la réserve, et de l'histoire de sa recharge ; c'est pourquoi il est nécessaire, pour comparer le comportement de plusieurs émergences, de les étudier simultanément. La physico-chimie du système en tarissement est très sensible aux apports d'eau par la surface : on peut observer d'une part des transits rapides et directs d'eau chimiquement marquée par la zone non saturée, sans que le débit varie de manière appréciable et d'autre part une recharge partielle des blocs capacitifs du système par cette même infiltration ; dans ce cas, on note une évolution de la qualité des eaux des réserves à la suite de ces précipitations. Les basses eaux consécutives à ces pluies ne peuvent dès lors plus être considérées comme du tarissement au sens strict. Dans les systèmes bien karstifiés, les montées de crues mobilisent des eaux (marquées chimiquement par la réserve) présentes dans les drains au moment de l'infiltration. Cet effet piston, bien visible dans la chimie des eaux de l'émergence est suivi par l'arrivée des eaux d'infiltration qui se mélangent aux eaux de réserve. La deuxième partie tente de calculer la part relative des deux composantes (infiltration et réserve) au cours de crues ou au cours de cycles. Les résultats ne contredisent pas ceux obtenus par des méthodes hydrodynamiques ; toutefois la méthode physico-chimique donne plus de poids à la contribution des réserves, mais surtout met bien en évidence les décalages temporels existant entre les variations du débit (transfert) et le passage effectif des masses d'eau à l'exutoire (transit). Ces décalages sont fonction du type et de l'importance de la karstification. La troisième partie justifie l'emploi des campagnes de prélèvements instantanés des eaux des principales sources d'une région karstique, elle en précise les limites. Dans le Jura, l'altitude moyenne des impluviums et des réserves permanentes peut être obtenue par l'étude des teneurs en oxygène 18 et des températures. La chimie des eaux jurassiennes et son analyse multidimensionnelle mettent en évidence l'opposition structurale Haute-Chaîne-plateaux : les émergences de la Haute-Chaîne drainant des systèmes à faibles réserves (à temps de séjour faible) peu affectés par l'activité humaine, celles des plateaux drainant des aquifères à réserves plus développées établis sous des zones cultivées. Elles permettent de reconnaître les influences anthroplques et par là d'envisager un réseau de surveillance de la qualité de l'eau des réserves. L'acquisition des données de pCO2, de température et d'oxygène 18 fait considérer les campagnes de basses eaux hivernales comme de la décrue (ces campagnes incluant l'écoulement d'eaux d'infiltration différée) et non comme du tarissement. Toutefois l'utilisation des instantanés dans des régions trop monotones ou trop contrastées en limite l'intérêt. Dans le sud-Est de la la France, le rôle de la lithologie (dolomies ou évaporites) prévaut sur celui du fonctionnement hydrocinématique. Cependant, le rôle de l'évapotranspiration de surface est bien visible dans l'écoulement de l'émergence en basses eaux.

L’objectif de cette thèse est d’arriver à mieux contraindre les paramètres qui contrôlent les processus d’altération à l’échelle d’un petit bassin versant, en se focalisant plus précisément sur le rôle de l’hydrologie. Pour ce faire, les variations temporelles et spatiales des signatures chimiques et isotopiques (U, Sr) des eaux du bassin versant du Ringelbach (Vosges, France) sont étudiées. Plusieurs sources de ce bassin versant, essentiellement composé d’un granite plus ou moins fracturé, ont été échantillonnées mensuellement sur une période de deux ans, le long d’un profil altitudinal. Ce bassin versant présente également l’avantage d’être équipé de trois forages profonds (allant jusqu’à 150 mètres de profondeur) qui ont permis de prélever à la fois les roches et les eaux profondes. Sur la base de l’interprétation géochimique des eaux, la connectivité des différents compartiments hydrologiques a été évaluée et un schéma de fonctionnement hydrogéochimique est proposé s’appuyant sur une bonne connaissance du contexte géologique. Enfin, un taux d’altération et un flux d’eau sont estimés à partir d’une modélisation de l’évolution du rapport isotopique de l’uranium (234U/238U) le long d’un trajet d’eau. L’originalité de cette étude est également de coupler cette approche de traçage géochimique avec une approche modélisatrice en utilisant le logiciel KIRMAT (Kinetic Reactions and Mass transport) qui intègre les équations des réactions géochimiques (dissolution/précipitation) et les équations de transport (1D). Il est ainsi possible de simuler le transport réactif d’une eau traversant la roche le long d’un certain trajet d’eau. Cette modélisation s’appuie sur la caractérisation minéralogique, des propriétés physiques des échantillons de roches prélevés le long des forages et sur les interprétations géochimiques des eaux. Ainsi, la modélisation de la composition chimique des eaux de sources et des eaux de forages a permis d’affiner la compréhension des processus d’altération, notamment le rôle des phases secondaires précipitées. Celle-ci permet également une meilleure compréhension des phénomènes de couplage entre les différents paramètres qui contrôlent la signature chimique des eaux à l’échelle du bassin versant. / The main goal of the present thesis is to better constrain the parameters that control weathering processes at a small catchment scale, focusing specifically on the role of hydrology. For this purpose, temporal and spatial variations of the chemical and isotopic (U, Sr) water composition of the Ringelbach catchment are studied. Several springs of this catchment whose basement is mainly composed of granite more or less fractured located along an altitudinal profile were monthly sampled over a period of two years. The additional interest of this site is that three deep boreholes (up to 150 meters deep) allow the sampling of both deep rocks and waters. The connectivity of the different hydrological compartments is evaluated based on the geochemical interpretation of water samples. A schematic hydrological functioning is proposed based on a good knowledge of the geological context. Finally, a weathering rate and a water flux are estimated from the modeling of the uranium activity ratio along a water path. The originality of this study lays also in combination of a geochemical and modeling approaches using the software KIRMAT (Kinetic Reactions and Mass transport) that integrates geochemical reactions (dissolution/precipitation) and 1D mass transport equations. It allow to simulate the reactive transport of a fluid through a rock along a given water pathway. This modeling is based on the characterization of the mineralogical and physical properties of the rock, sampled along the boreholes and the geochemical interpretation of the waters. Thus, the modeling of the chemical composition of the spring waters and borehole waters permit to improve the understanding of weathering processes including the role of precipitated secondary phases. It also allows to better understand the interplay of parameters that that control the water chemical signature at the catchment scale.