Jadis délaissés au profit des milieux plus simples et/ou accessibles, les milieux souterrains fracturés, notamment ceux de socle cristallin, bénéficient désormais d'un intérêt croissant vue leur capacité à constituer de réelles ressources en eau. La compréhension de ces systèmes apparaît donc comme un enjeu majeur en hydrogéologie. Nous explorons avant tout la possibilité de structures portant une ressource en eau autres que celles jusqu'à présent identifiées i.e. la zone altérée et les fractures régionales sub-verticales. Nous identifions à ce propos les fractures locales à faible pente, confirmant ainsi certaines observations de site comme celles réalisées sur l'aquifère de socle cristallin de Ploemeur (Bretagne). Nous étudions ensuite l'apport des données d'" âge " pour la caractérisation des systèmes hétérogènes complexes et de leur ressource. Issues de mesures de concentration, elles sont classiquement utilisées dans les milieux peu hétérogènes pour quantifier la recharge. Nous reconsidérons ici leur sensibilité et montrons, en cohérence avec le degré d'incertitude des propriétés, qu'elles peuvent autant servir à caractériser la structure du champ de vitesse plutôt que sa magnitude. Par une réflexion plus générale sur leur contenu informationnel, nous montrons aussi qu'elles ne peuvent seules identifier le modèle d'écoulement et la distribution des temps de résidence associée, en raison de leur caractère intégrateur. Il en résulte pléthore de modèles cohérents avec les données même si peu pertinents pour la prédiction tel que le modèle exponentiel. Nous proposons au final les moyens de contrecarrer cet écueil par une utilisation spatiale et temporelle de la donnée.

Afin de mieux prévoir le type d'éruption (effusif ou explosif) des volcans d'arc, il est primordial d'étudier les vitesses d'ascension du magma dans le conduit volcanique. Un moyen d'appréhender ces modalités d'ascension est de déterminer les cinétiques des processus intervenant lors de la remontée magmatique. Ainsi, nous avons choisi d'étudier les cinétiques de cristallisation (vitesses de nucléation et de croissance) des microlites de plagioclase par une approche expérimentale, puis théorique, à partir de compositions synthétiques reproduisant le verre rhyolitique interstitiel du magma de la Montagne Pelée et son analogue simplifié (haplotonalite). Nos résultats révèlent que le magma décomprimé à partir de 200 MPa selon différentes vitesses de décompression (ΔP/Δt = 1200, 150 et 30 MPa/hr) jusqu'à une pression finale donnée entre 160 et 25 MPa, montre différentes modalités de cristallisation des plagioclases. En particulier, plus la vitesse de décompression est lente, plus la densité numérique de cristaux est élevée. Les vitesses de nucléation des plagioclases varient de 3.8E-03 à 1.5E-02 mm-2, tandis que celles de croissance variant peu, sont de l'ordre de 10-6 mm.s-1. La modélisation de la cristallisation nous a permis de i) mieux contraindre l'énergie d'interface plagioclase/haplotonalite, en déterminant des paramètres de forme et de rugosité du nucleus à appliquer à la théorie classique de la nucléation ii) démontrer que la vitesse de croissance des plagioclases est limitée soit par la diffusion, soit par les mécanismes à l'interface iii) et qu'une croissance des plagioclases par diffusion n'est pas systématiquement contrôlée par l'élément diffusant le plus lentement, et qu'elle dépend étroitement de la nucléation. Aussi, nous avons révélé l'importance de la composition du liquide silicaté sur les cinétiques de cristallisation, en particulier l'effet inhibiteur sur la nucléation de l'ajout de quelques ppm d'arsenic dans le liquide silicaté.

Ces 10 dernières années ont été marquée à l'Office du Niger par une augmentation spectaculaire des superficies aménagées et cultivées en contre-saison qui ont engendré un accroissement de la demande en eau en période d'étiage du fleuve. Du fait des caractéristiques structurelles du réseau et de pratiques de gestion peu performantes induisant des pertes substantielles d'eau par infiltration, la nappe phréatique est aujourd'hui quasi sub-affleurante avec toutes ses conséquences néfastes sur les facteurs de productions. L'objectif de ce travail est de mieux comprendre et de quantifier les dynamiques engendrées par les cultures de contre-saison, auxquelles il est communément reproché d'être surconsommatrices de la ressource en eau et de favoriser des conditions favorables à la dégradation de sols par alcalinisation. Traduit en termes scientifiques, l'objectif est de développer un modèle permettant d'évaluer l'impact des modes de gestion des cultures de contre-saison sur les performances de l'irrigation et sur la dynamique de la nappe phréatique. La démarche a consisté à collecter et analyser les données secondaires disponibles, mettre en place un dispositif d'enquête et de suivis de terrain sur la base desquels a été développée une modélisation des performances de l'irrigation et de la dynamique d'évolution des caractéristiques la nappe phréatique. L'analyse des données secondaires descriptives de l'évolution des systèmes de culture de contre saison à l'Office du Niger montre un accroissement notoire des superficies cultivées en contre-saison induisant une disparition du schéma de mise en valeur initialement prévu lors de la conception des aménagements. La recherche d'amélioration de leur autosuffisance alimentaire et de leurs revenus, sont les principaux déterminants de cette évolution des pratiques. Les données secondaires descriptives de la gestion de l'eau montrent que si cette dynamique a eu pour conséquence une augmentation importante du taux de prélèvement des eaux du fleuve Niger, elle a induit une réduction de moitié des vii apports par hectare cultivés en contre saison sous l'effet d'une amélioration de l'efficience de transport qui structurellement tend à s'améliorer en fonction de l'accroissement des superficies irriguées. Les résultats des études de terrain montrent qu'à l'échelle d'un arroseur cultivé en riz, le type de sol est le principal facteur explicatif de la variabilité des apports d'eau (en moyenne 15 000 m3/ha). L'efficience moyenne de l'irrigation de l'arroseur à la parcelle, bien que meilleure qu'en hivernage, reste faible (65%) ; elle croit au cours du cycle de 20 à 85% avec le taux de repiquage. Si les pertes dans le réseau de drainage restent généralement faibles (12%), les épandages systématiques d'eau sur les surfaces non encore repiquées en début de campagne sont la principale cause explicative de la valeur de l'efficience de l'irrigation et représentent de l'ordre 25% de la lame d'eau contribuant à la recharge de la nappe phréatique par hectare rizicultivé (200 mm). Leur réduction par une meilleure maîtrise de l'irrigation diminuerait d'autant contribution de la riziculture de contre-saison au soutien de la nappe. La situation du maraîchage est beaucoup plus critique : les apports par hectares en tête de partiteur (14 500 m3/ha) ne sont pas statistiquement différents de ceux du riz alors que les besoins en eau sont deux fois plus faibles. L'analyse des données du suivi de la nappe entre 1995 et 2006 à l'échelle du Kala inférieur confirme la continuité entre nappe de surface, alluviale et continentale et montre que le niveau moyen piézométrique de la nappe à l'aplomb des périmètres du Kala inférieur, augmentation de son volume et sommes des surfaces cultivées en saison des pluies et saison sèche sont significativement corrélés malgré la décroissance graduelle du niveau piézométrique de la nappe à mesure qu'on s'éloigne des périmètres. Ces constatations ont permis de modéliser, sur la base d'un bilan en eau, l'impact combiné des cultures de contre-saison et d'hivernage sur la dynamique de la nappe phréatique. Cette modélisation tend à montrer que les cultures de contre saison n'expliqueraient que de l'ordre de 25% de l'augmentation du volume de la nappe entre 2001 et 2006; le reste est à attribuer à l'irrigation des cultures d'hivernage. Cette remontée de la nappe et la continuité entre nappe de surface et nappe régionale confirmée tendent à diminuer la drainabilité naturelle des zones cultivées particulièrement en contre saison et contribuent à expliquer le faible battement de la nappe dans ces zones entrainant un engorgement pratiquement continu des sols qui contraint les conditions d'exploitation et augmente les risques d'apparition de phénomène d'alcalinisation. Compte tenu des approches utilisées basées sur des bilans d'eau et des hypothèses de représentativité supposées, les processus biophysiques des tendances que cette étude a permis d'identifier, mériteraient d'être confirmés. La poursuite de campagnes périodiques de suivi de la nappe, une caractérisation de ses propriétés hydrodynamiques ainsi que le développement de la modélisation hydrogéologique de son fonctionnement devraient être envisagés face aux enjeux qu'elle représente en termes de contraintes à la mise en valeur agricole et de risques environnementaux mais aussi de possible exploitation des ressources en eau souterraines pour la double culture.

Le rôle joué par la stratosphère sur le climat est aujourd'hui avéré. Le couplage du système troposphère-stratosphère implique que les processus dynamiques de grande amplitude de la moyenne atmosphère perturbent l'équilibre atmosphérique et l'écoulement dans les plus basses couches. Parmi ces phénomènes dynamiques, les échauffements stratosphériques soudains sont les plus emblématiques. Cette étude s'intéresse à l'impact de ces événements sur la variabilité de la moyenne atmosphère et sur l'estimation des tendances de température. Nous cherchons également à mieux caractériser l'évolution spatio-temporelle des échauffements stratosphériques, depuis leurs causes jusqu'à leurs conséquences. Tout d'abord, une méthodologie novatrice d'analyse statistique de séries temporelles est développée et testée sur des mesures lidar de l'Observatoire de Haute-Provence. L'impact des événements dynamiques les plus importants peut ainsi être efficacement isolé de la contribution radiative de fond, ce qui explique les différences observées entre l'été et l'hiver. Ensuite, une simulation du Canadian Middle Atmosphere Model nous permet de valider la méthodologie et d'étendre notre étude à l'ensemble du globe. On montre que les variations spatiales sont elles aussi majoritairement causées par l'activité dynamique. Les conditions de formation d'un échauffement stratosphérique sont également étudiées, à l'aide de tests de sensibilité du modèle RACCORD. On prouve l'importance du rappel vers la météorologie pour produire un échauffement majeur, particulièrement dans le cas d'une rupture du vortex. Enfin, la méthode et nos résultats sont mis à profit dans une analyse de l'hiver 2012-2013.

Cette thèse a permis de mieux comprendre les mécanismes de complexation des terres rares par les acides humiques afin d'expliquer la variabilité des spectres de terres rares observée dans les eaux riches en matière organique. Cette étude montre que l'hétérogénéité des groupements fonctionnels complexants des acides humiques peut induire différents types de spectres de complexation des terres rares en fonction des conditions physico-chimiques. En effet, à pH acide, lorsque le rapport terres rares/acides humiques augmente, les terres rares se lient majoritairement à des sites carboxyliques multidentates puis monodentates qui ont, respectivement, une plus forte affinité pour les terres rares lourdes et intermédiaires. Lorsque le pH augmente, la participation de sites phénoliques devient plus importante pour les terres rares lourdes tandis que les légères restent liées à des sites carboxyliques. Des expériences de compétition entre les terres rares et le fer ou l'aluminium pour la complexation par les acides humiques ont également été réalisées. A pH neutre, Al est un plus fort compétiteur pour les terres rares légères, et se lie donc préférentiellement à des sites carboxyliques, tandis que Fe est un compétiteur pour toutes les terres rares, et se lie donc aussi bien aux sites carboxyliques que phénoliques. Ainsi, le rapport cation dissous/acides humiques, le pH et la natures des cations compétiteurs peuvent expliquer la variabilité des spectres de terres rares observée dans les eaux naturelles. De plus, les terres rares peuvent être utilisées comme sonde des mécanismes de complexation des cations par les acides humiques, comme ici pour Al et Fe.

L'éruption d'avril 2007 du Piton de la Fournaise (Île de la Réunion, Océan Indien) a été marquée par les plus gros volumes de lave émis de ces deux derniers siècles, ainsi que par l'effondrement du cratère sommital (le Dolomieu) sur plus de 300 mètres de haut. Des données d'interférométrie radar (InSAR) montrent que les déplacements associés à cette éruption sont inhabituels pour deux raisons : (1) ils ont affecté l'ensemble de l'enclos Fouqué durant l'éruption, (2) deux motifs de déformation ont persisté plus d'un an après la fin de l'éruption. Le premier résulte d'une subsidence centripète du cône central et le second d'un glissement vers l'est du flanc est du volcan. Une méthode, appelée tomographie de déplacements, a été développée pour modéliser les déplacements, basée sur une discrétisation du sous-sol en sources unitaires, et sur la minimisation de deux fonctions coût. Elle permet de trouver une répartition compacte des variations de volume des sources unitaires permettant de reproduire au mieux les déplacements observés. En parallèle, la procédure NA-MBEM, une méthode de modélisation basée sur la combinaison d'un modèle numérique (MBEM) et d'une inversion de type Monte Carlo (NA), a été modifiée pour diminuer le temps de calcul nécessaire à l'obtention d'un bon modèle, et nous montrons que l'utilisation de données temporellement interpolées permet d'améliorer les résultats d'inversion. L'application des deux méthodes de modélisation aux données de déplacements de l'éruption d'avril 2007, montre que durant la période post-éruptive, la subsidence du cône central est provoquée par une source localisée de manière superficielle sous le cône central. Cette source est interprétée comme un système hydrothermal en déflation, dont le drainage aurait été amorcé par l'effondrement du Dolomieu. Les déplacements du flanc est seraient dus à deux sources différentes, toutes les deux superficielles et parallèles à la topographie. L'une est interprétée comme un réservoir temporaire en cours de vidange durant la fin de l' éruption, et l'autre comme un niveau de glissement sur lequel glisserait le flanc est. Enfin, nous proposons un modèle préliminaire des déplacements ayant eu lieu durant l'éruption, ainsi qu'un scénario de la succession de tous les événements à l'origine des déformations enregistrées entre le 30 mars 2007 et juin 2008.

En se basant sur une étude détaillée depuis l'été 2003 à l'hiver 2005 sur différentes matrices (roches, sédiments, matière en suspension, phase colloïdale et phase dissoute), on a établi un bilan géochimique (éléments majeurs et traces) sur le bassin versant du Bouregreg au Maroc. L'étude géochimique des eaux et des produits solides ou colloïdaux transportés dans l'ensemble du bassin peut être particulièrement performante pour d'une part comprendre les processus de transport et d'échanges des différentes composantes naturelles et anthropiques (en solution ou adsorbées sur les particules en suspension) et d'autre part évaluer la contribution anthropique au sein du bassin. L'objet de ce travail a été de développer une méthodologie permettant d'établir un bilan géochimique de ce bassin et de mieux comprendre le fonctionnement d'un système naturel, en intégrant les phénomènes de transfert solide-liquide La méthodologie adoptée regroupe ainsi : (i) un échantillonnage semestriel, depuis l'été 2003 jusqu'à l'hiver 2005, des différentes matrices sur l'ensemble du bassin versant du Bouregreg. (ii) un protocole analytique multi-élémentaire couplant l'analyse par activation neutronique instrumentale (INAA), la spectrométrie de masse couplée à un plasma d'argon (ICP-MS) et la spectrométrie d'émission atomique couplée à un plasma d'argon (ICP-AES). (iii) des techniques de traitement des données recueillies (comparaison des moyennes obtenues pour chaque échantillon et des variabilités pour chaque site, diagrammes de normalisation par rapport aux croûtes continentales moyenne et supérieure, comparaison des rapports d'éléments, choix des éléments inertes comme références (exemple Ta ou Yb), et finalement une analyse en composantes principales (ACP)). De l'analyse des roches et des sédiments on en déduit : (i) L'importance de l'héritage géochimique de l'environnement géologique du bassin versant du Bouregreg (comparaison entre sédiments et roches, permanence des distributions le long du fleuve,.....). Cela découle du comportement très compatible et de l'inertie de certains éléments au cours de l'altération (éléments de transitions 3d (Co, Ni, Cr, ...), éléments de transition interne f (lanthanides, Zr, Hf, Nb, Ta,....), (ii) L'homogénéité géochimique du bassin qui traduit à son tour un héritage lors de l'accrétion crustale (magmatisme-métamorphisme-sédimentation), (iii) La typologie de ce domaine continental ; plutôt de type croûte continentale supérieure. L'étude de la chimie des eaux dans les phases dissoute et particulaire a également permis de confirmer la différence de comportement entre les éléments dits solubles, dont les concentrations dans la masse d'eau sont liées à la lithologie du bassin versant, et les autres éléments quasiment insolubles tels que les terres rares. Les concentrations de ces derniers dans la phase dissoute sont davantage liées à la chimie interne du fleuve et à l'existence d'une phase colloïdale. Ceci est notamment mis en évidence lors des très basses-eaux où les concentrations en matières organiques peuvent être importantes. L'influence des activités humaines de type pollution métallique semble par ailleurs très limitée : les facteurs d'enrichissement n'ont pas montré de valeur importante excepté pour Cs, Li, Sb, Pb et As. Ce résultat confirme donc la faiblesse actuelle de la pollution chimique de la rivière Bouregreg.

L'effet de l'hétérogénéité du milieu physique sur le transport de solutés dans les eaux souterraines est bien connu, mais le couplage avec les processus biochimiques en milieu hétérogène est un problème plus complexe générant des processus non linéaires dépendants de la nature du milieu et des cinétiques de réactions. Certaines réactions telles que la dénitrification font intervenir une activité biologique pour laquelle l'influence des conditions de transport reste peu connue. Cette étude cherche à caractériser l'influence des vitesses d'écoulement sur la réactivité. Les mécanismes contrôlant les processus biogéochimiques sont dépendants de l'échelle d'étude. A l'échelle d'un tube de diamètre 2 mm, où une réaction de dénitrification s'opère sous différentes contraintes d'écoulement, les expériences montrent tout d'abord un contrôle biologique de la réactivité qui devient par la suite un contrôle physique pouvant s'expliquer par des phénomènes de diffusion au sein du biofilm formé. A l'échelle d'un milieu poreux ces travaux ont permis d'identifier une réaction de dénitrification incluant de la biotite comme donneur d'électron. A l'échelle du site des essais de push-pull ont permis de quantifier les cinétiques de dégradation des nitrates ainsi que les cinétiques de production des sous produits de réaction tels que le protoxyde d'azote. Ces informations permettent d'estimer l'influence de cette réaction à l'échelle du site. Ces travaux permettent d'améliorer des connaissances sur la réactivité dans les aquifères à différentes échelles.

L'étude des impacts du changement climatique actuel est soumise à plusieurs contraintes. Premièrement, si avant la révolution industrielle la variabilité du climat est uniquement conduite sur une large gamme d'échelle par des forçages naturels, cela n'est pas le cas au XXe siècle. Deuxièmement, les effets de ce changement montrent des variations significatives à l'échelle régionale. Ainsi, sur la base d'analyses spectrales, ces travaux réexaminent l'instabilité spatio-temporelle des téléconnexions entre la variabilité climatique globale du secteur Atlantique et les climats régionaux du NW Europe et de l'Afrique de l'Ouest. L'examen des longues séries climatiques de l'Angleterre et du Nord de la France révèle des tendances similaires pour les températures, mais désappariée pour les précipitations. Différente phase de renforcement des échelles de variabilité multi- et inter-décennale ont été détectée, ce qui suggère des " fluctuations " du control climatique global. Sur ces échelles, la relation statistique entre les températures et l'Oscillation Multi-décennale Atlantique (AMO) est marquée par un changement de phase au XIXe siècle. Les précipitations semblent cohérentes avec l'indice AMO à l'échelle 30-60 ans et avec l'Oscillation Nord Atlantique (NAO) aux échelles 50-80 et 16-23 ans. Toutefois, la relation NAO/pluie présente une grande instabilité en raison des fluctuations spatiales des régimes NAO. Après le Petit Age Glaciaire, les deux pôles semblent glisser vers le SW en hiver et printemps. De plus, une fraction de la variance du champ Nord-Atlantique de pression au niveau de la mer (SLPs), capturée par l'indice NAO, pourrait être associée à d'autres régimes atmosphériques. En Afrique de l'Ouest, l'étude des fluctuations temporelles de la variabilité des précipitations sahéliennes révèle une organisation zonale, plus particulièrement exacerbée à l'échelle quasi-décennale. Les téléconnexions avec les températures de surface (SSTs) de l'Atlantique, qui s'organise différemment suivant l'échelle de variabilité, présentent également des modifications d'Est en Ouest. Au cours du XXe siècle, les précipitations au Sahel semblent rarement s'établir simultanément avec les SSTs Atlantique Nord et Tropical Sud. Une relation en phase avec les SSTs de l'Atlantique Nord s'effectue uniquement lors des périodes humides (e.g. années 1950) aux échelles multi- ou quasi-décennale. Ces téléconnexions sont orientées selon un plan NW-SE, ce qui suggère des modulations non-uniformes du balancement de la ZCIT. Les téléconnexions avec les SSTs de l'Atlantique Tropical Sud sont associées à une structure dipolaire opposant les régions guinéenne et sahélienne. Cela s'accorde donc avec des modulations de la position latitudinales de la ZCIT. Néanmoins, celle-ci dépendrait de l'échelle, de la période étudiée et de l'état des SSTs du Pacifique. Les anomalies quasi-décennales impliquées dans ces contrastes zonaux varient au cours du temps. Dans les années 1950/60, le flanc occidental de l'Afrique de l'Ouest montre des variations du flux d'Harmattan, des mouvements ascendant sur la région sahélienne et des mouvements subsidents subtropicaux. Dans les années 1970/80, des fluctuations du gradient interhémisphérique de pression et température pourrait conduire des variations du flux de mousson, et plus généralement des décalages nord/sud de la ZCIT.

Dans la société moderne, l'aménagement du territoire peut augmenter la quantité d'eaux de ruissellement et sa charge de polluants associé. Plusieurs auteurs ont étudié des eaux de ruissellement transportant de la pollution dissoute, colloïdale et des composants solides de la ville. Un milieu poreux, tels que le sol, les roches, éponges, etc , est un matériau contenant un grand nombre de vides (pores) situées au hasard, de taille supérieure à l'échelle interatomiques. Les phénomènes de transport à l'interface entre un écoulement fluide et un milieu poreux font l'objet de recherches importantes à la fois pour comprendre les phénomènes d'infiltration dans le milieu poreux et aussi en raison de leur large champ d'application, par exemple en hydrologie urbaine, la pollution et dépollution des sols, le traitement de l'eau, etc. Comme dans l'hydrologie naturelle, l'hydrologie urbaine étudie l'érosion et les phénomènes de colmatage de la route qui causent beaucoup de pertes économiques et même menacent la vie des gens. Une meilleure compréhension des détails du flux de sédiments près de la surface de la route (milieu poreux) aidera à améliorer la conception des routes et à fournir des solutions optimisées. L'écoulement sur un milieu poreux combine une partie dessus et une partie à travers le milieu poreux. En raison de l'interaction entre l'écoulement de surface et d'infiltration à l'intérieur de la région poreuse, cette interaction affecte à la fois la le flux liquide et le flux de sédiments. L'effet de l'interaction entre le flux d'infiltration et l'écoulement de surface a été étudiée par plusieurs précurseurs qui ont développé soit un modèle microscopique soit un modèle macroscopique permettant une simulation numérique de l'écoulement turbulent dans la région poreuse. La plupart des études sur les flux en milieu poreux utilise des modèles macroscopiques en une ou deux dimensions (2D) lit poreux. Cependant en utilisant ces modèles il n'est pas possible d'avoir un aperçu détaillé de la structure de l'écoulement au voisinage de l'interface avec le milieu poreux. Ces dernières années, en raison du développement de la capacité de calcul, des simulation de mécanique des fluides numérique (CFD) complexe peuvent être effectuée. De plus, la méthode des éléments discrets (DEM), développé par Cundall et Strack, a été beaucoup utilisée pour étudier le comportement des solides granulaires soumis à une variété de conditions de chargement dans le but de comprendre et de prédire les résultats macroscopiques. Dans cette étude, les caractéristiques d'un écoulement à surface libre de faible profondeur, sur un lit poreux ainsi que le transport des sédiments induit sont étudiés tant numériquement que expérimentalement.