Cette thèse de géomorphologie climatique a pour objectif de caractériser l'étage périglaciaire actuel et passé dans l'ouest des Pyrénées centrales françaises (parc national des Pyrénées). Elle se fonde sur la mise en parallèle des caractéristiques climatiques régionales (cycles gel et dégel dans l'air et dans le sol, quantité et rythmes des précipitations nivales) et des expressions morphologiques de ce climat (sols structurés, formes de solifluxion, formes de reptation du pergélisol). La première partie est ainsi axée sur le climat et sur la délimitation altitudinale des formes de versant considérées. Elle révèle que les expressions périglaciaires régionales s'étagent au sein d'une vaste ceinture située entre 1 900 et 3 200 m, dans laquelle les températures moyennes annuelles de l'air varient entre 5°C et -3°C. Les cycles gel et dégel fluctuent entre 60 et 130 par an et nos modélisations numériques ont établi que l'engel du sol peut dépasser un mètre de profondeur, quelle que soit l'altitude, en l'absence de neige. La deuxième partie traite des variabilités spatiales et paléoenvironnementales de l'étage périglaciaire. Elle montre d'abord, à l'aide d'analyses multivariées, que les étagements de formes varient sur chaque versant selon les contextes locaux (exposition, lithologie, humidité, végétation). Les espaces récemment déglacés sont les plus favorables au développement de formes, en raison de la présence importante de fines et d'humidité. Dans un second temps, elle s'attarde sur l'évolution des paysages périglaciaires depuis le Tardiglaciaire. Les observations de formes héritées et des datations au radiocarbone ont permis de mettre en évidence des phases froides favorables à la morphogenèse périglaciaire (Dryas récent, milieu de l'Holocène, Petit Âge Glaciaire). Enfin, la troisième partie est consacrée à la valorisation et à la diffusion de ces résultats au sein du parc national des Pyrénées. Pour ce faire, nous évaluons 30 géomorphosites situés dans l'étage périglaciaire. Des panneaux didactiques et un site internet ont été conçus afin de proposer au public une vulgarisation des géomorphosites les plus remarquables.

La modélisation physique en enceinte de gel est utilisée pour analyser les impacts du réchauffement climatique sur l'évolution des paysages en contexte périglaciaire. Les données expérimentales nous montrent (i) l'importance des conditions de saturation de la couche active dans le déclenchement des mécanismes lents et rapides des sols et (ii) l'impact des perturbations des régimes thermiques et hydriques du sol qui modifient à la fois les taux d'érosion et la dynamique des versants périglaciaires. - Lors de précipitations modérées, cryoexpulsion, cryoreptation/gélifluxion et glissements gravitaires sont autant de processus intervenant dans la modification de la morphologie du versant (érosion régressive). - Lors de précipitations intenses, les processus d'érosion rapide type coulées de débris deviennent prédominants, accélérant la dégradation du versant. Ils s'initient systématiquement (i) au niveau des pentes les plus fortes et (ii) en présence d'un pergélisol qui limite l'infiltration de l'eau en profondeur et joue le rôle de plan de glissement. Les taux d'érosion les plus forts sont enregistrés au cours des précipitations les plus intenses. Ces résultats devraient (i) constituer une aide précieuse pour établir une méthodologie de mesure in situ des systèmes périglaciaires et (ii) améliorer la connaissance sur l'évolution morphologique des versants, lorsque le réchauffement climatique augmente à la fois la profondeur du toit du pergélisol et la quantité d'eau apportée aux versants lors des dégels de printemps. Le travail doit désormais se focaliser sur le contrôle exercé par la dynamique de saturation du sol sur les processus d'érosion de versant.

L'objectif de cette étude est d'évaluer la part de l'empreinte glaciaire dans les paysages de la haute montagne aux latitudes moyennes. Peut-on transposer au Quaternaire la très grande efficacité de l'érosion glaciaire mesurée actuellement dans certaines montagnes et faire de cet agent le principal acteur de la morphogenèse ? Doit-on au contraire constater une forte résilience des paléoformes tertiaires et donc la faiblesse relative de l'érosion glaciaire ? Le domaine est-pyrénéen offre un terrain privilégié en raison du fort contraste nord-sud qui caractérise l'emprise spatiale et l'impact géomorphologique des paléoenglacements quaternaires. Deux axes de recherche complémentaires structurent ce travail. Le premier concerne la chronologie et la paléogéographie des glaciations quaternaires. Une cartographie géomorphologique détaillée permet de reconstituer les paléoemprises glaciaires. La production et l'exploitation de 81 datations 10Be fournissent une nouvelle vision du cycle würmien et contribuent au débat sur le caractère synchrone ou asynchrone des paléoenglacements de montagne, donc de la réponse continentale aux changements globaux. Sur ces bases chronologiques et cartographiques, le deuxième axe de ce travail vise à mesurer la variabilité spatio-temporelle de l'empreinte géomorphologique des glaciations. Il est possible (i) d'apprécier, pour le cycle würmien, la tranche érodée globale (~ 5 m) et la variabilité temporelle de l'érosion glaciaire grâce à la quantification du volume sédimentaire mobilisé sur le Sud Carlit, (ii) de mesurer et tenter d'expliquer la variabilité spatiale de l'empreinte glaciaire quaternaire à travers une analyse morphométrique de l'ensemble des cirques du domaine d'étude.

L’environnement périglaciaire en général et les régions de permafrost en particulier, connus pour être très sensibles au changement climatique actuel, sont le sujet de beaucoup d’études sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, le dégel de ces milieux engendre la mobilisation d’une quantité importante de matière organique, précédemment piégée par le froid, favorisant les émissions de dioxyde de carbone et/ou de méthane. L’objectif premier, du présent travail, est de contribuer à l’étude des gaz enfermés dans certains types de glace de ces régions afin de mieux quantifier leur impact potentiel sur le climat.<p>Dans un premier temps, une analyse multiparamétrique a été menée sur deux coins de glace du nord de la Sibérie dans la cadre d’une collaboration avec l’Alfred Wegener Institut (Allemagne). Cette première approche a révélé que l’analyse conjointe de la cristallographie, de l’orientation des axes optiques, du contenu en gaz total et de la composition en gaz des coins de glace est un outil puissant, complémentaire aux analyses des isotopes stables, pour comprendre les conditions paléo-climatiques qui ont régi la construction des coins de glace. Cette étude soutient également l’hypothèse de variations spatiales importantes de l’origine des masses d’air durant les variations climatiques du Pléistocène.<p>Dans un deuxième temps, une analyse des caractéristiques de la glace annuelle de 4 lacs du nord de la Suède a été réalisée afin d’étudier le rôle de la couverture de glace sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, les lacs de ces régions contribuent fortement aux émissions de méthane durant la période d’eau libre et très peu d’études ont analysé la quantité de méthane emprisonnée dans la glace hivernale et relâchée au printemps. Ce projet nous a amené à établir une nouvelle classification des bulles dans la glace de lac basée sur leur contenu en méthane, leur origine, leur forme et leur densité. Il nous a également permis de montrer que plusieurs facteurs interviennent sur le contenu en gaz dans la couverture de glace :le système hydrologique, la variation de la pression atmosphérique, la variabilité des émissions et potentiellement la proximité des sédiments sont autant de facteurs qui déterminent le contenu en gaz. L’analyse de la composition des gaz a révélé que la composition observée dans la glace est sensiblement différente de celle observée durant les périodes d’eau libre. Nous avons également, pour la première fois, établit un budget des émissions de méthane relâchées par la fonte de la couverture de glace au niveau mondial.<p>Cette étude a été complétée par l’analyse des isotopes 13C des gaz des différents types de bulles de notre classification en collaboration avec l’Université d’Utrecht. Nous avons alors mis en évidence que la couverture de glace influence l’équilibre biogéochimique dans l’eau en favorisant l’oxydation du méthane en dioxyde de carbone.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au Nunavik, l’augmentation des températures atmosphériques en lien avec les changements climatiques influence la capacité portante du sol en modifiant le régime thermique de la couche active et du pergélisol. Selon la nature du sol et des cryostructures, les processus de fluage et tassement différentiel du sol peuvent être considérables. La forte croissance démographique au Nunavik nécessite la construction de plusieurs nouvelles unités d’habitation. La présente étude a produit des outils pour permettre un aménagement durable du territoire par l’interprétation géomorphologique du paysage et l’étude des propriétés géotechniques des cryofaciès qui compose la cryostratigraphie des unités géomorphologiques de Puvirnituq afin d’estimer le comportement du pergélisol au dégel. Trois unités géomorphologiques principales ont été distinguées sur le territoire. Le socle rocheux est stable au dégel ainsi que les dépôts minces qui le recouvrent puisqu’ils sont contenus dans la couche active (unité P1). Le till remanié est dominé par du sable pauvre en glace, lui conférant une stabilité, mais les moraines de De Geer pourraient incorporer des dépôts marins riches en glace à l’intérieur d’un till remanié (unité P2). Les dépressions comblées de dépôts marins et littoraux sont probablement situées sur du till remanié mais contiennent une zone de transition riche en glace entre ~0,9 et 1,7 m de profondeur, excluant les possibilités de construction (unité P3). La principale contribution à l’aménagement du territoire découlant de cette étude a été la production de deux cartes. La première présente la distribution des unités géomorphologiques sur l’ensemble du territoire, permettant d’identifier rapidement le potentiel d’aménagement de l’environnement de Puvirnituq; la seconde carte montre l’emplacement des moraines de De Geer au-delà du village. Ces données trouveront des applications dans l’évaluation de substrats pour l’expansion de l’environnement bâti de Purvinituq et de granulats non-gélifs pour la construction des infrastructures construites sur remblais. Cette carte souligne l’importance de l’histoire Quaternaire sur les conditions actuelles de pergélisol. / In Nunavik, a sustained increase of surface temperatures linked to climate change, affects the bearing capacity of the permafrost by modifying its thermal regime. Depending on the nature of the soil as well as its cryostructures, creep and differential thaw-settlement processes can be significant. The rapid demographic growth in Nunavik requires the construction of several new housing units. In order to estimate the behaviour of permafrost to thaw, this study has contributed to a sustainable land-use planning by the geomorphological interpretation of the landscape and the study of geotechnical properties of the different cryofacies that compose the geomorphological units of Puvirnituq. Three main geomorphological units were distinguished within the territory. The bedrock is thaw-stable as well as the veneer of surficial deposits since they are contained within the active layer (P1 unit). The reworked till is dominated by ice-poor sand, providing a certain stability, but the De Geer moraines could incorporate ice-rich till and ice-rich thaw sensitive marine deposits (P2 unit). The depressions, filled with marine and littoral deposits, probably contain stable reworked till at the bottom but the presence of an ice-rich transition zone between ~0,9 and 1,7 m depth, makes this geomorphological unit improper for construction (P3 unit). The principal contribution to landuse planning of this study is the production of two maps. The first presents the distribution of the geomorphological units over the entire territory, allowing for a quick identification of potential areas to support the development of Puvirnituq; the second map shows the location of De Geer moraines beyond the study area to extrapolate the result of this study to the landscape scale.

Le site routier expérimental de Beaver Creek (62º 20’ 20’’ N – 140º 50’ 10’’ O) est sis sur la moraine de Beaver Creek pré datant le Dernier Maximum Glaciaire. Dans un périmètre d’un kilomètre carré, son relief, sa végétation, son sol et sa cryostratigraphie ont été étudiés avec une perspective géosystémique, afin d’en détailler la catena et sa structure. Ensuite, la cryostratigraphie a été interprétée pour suggérer un modèle d’évolution du paysage. Enfin, les changements récents y ont été intégrés en vue d’actualiser la tendance évolutive du géosystème. Il ressort de cet ouvrage que la durabilité du pergélisol est fortement appuyée par la présence des milieux humides dans les replats. Quelques affleurements de la moraine sont toujours visibles, quoique faiblement exprimés. Ils contiennent peu de glace et leur teneur en matière organique est mince. Quant aux dépressions, elles sont peu profondes et étendues. Non seulement elles ont hérité des sédiments érodés des crêtes, mais elles ont aussi fixé une quantité importante de glace et de matière organique par le truchement d’un pergélisol syngénétique (>15 m) généré par le climat et protégé par l’écosystème. Au moins un évènement de thermo-érosion est survenu avant le dernier stade d’aggradation syngénétique (Holocène), mais il n’a été que partiel. L’actuel réchauffement climatique menace d’engager un autre épisode de dégradation à l’échelle du bassin versant. Contrairement au changement climatique, l’utilisation du territoire provoque déjà la dégradation du pergélisol, mais de manière localisée seulement. / The Beaver Creek Road Experimental Site (62º 20’ 20’’ N – 140º 50’ 10’’ O) sits on the Beaver Creek moraine. This landform was already evolving before the Last Glacial Maximum. In a single square kilometer perimeter, its topography, vegetation, soil and cryostratigraphy have been studied with a geosystemic perspective to detail its catena and related structure. Furthermore, the cryostratigraphy has been interpreted considering the literature to suggest a landscape evolution model. Recent changes at the site were integrated in the model to actualize the geosystem’s evolutive trend. This work has shown that the durability of the permafrost is strongly supported by the wetlands associated to flat lowlands. On the one hand, some moraine hillcrests are still slightly outcropping. There, the limited moisture inhibited the development of peat and intrasedimentary ice (<1 m). On the other hand, the depressions are quite flat and extended. They inherited not only of the crest’s eroded sediments, but they also fixed an important quantity of ice and organic matter (>15 m) by the mean of syngenetic permafrost aggradation driven by the climate and preserved by the ecosystem. At least one thermoerosion event occurred before the last syngenetic aggradation stage (Holocene), but was only a partial one. The ongoing global warming threatens to trigger another permafrost degradation stage on the drainage basin scale. On the field unit scale, the land use is already degrading the local ice-rich permafrost.

La direction des vents nourriciers, obtenue à partir des gradients granulométriques et des morphologies dunaires, semble avoir changé au cours du temps. Celle-ci est orientée O-E au Pléniglaciaire moyen, puis NO-SE au Pléniglaciaire supérieur, tandis qu’au Dryas récent la direction est plutôt SSO-NNE. Dans ce travail, l’hypothèse d’un changement de la saison à laquelle les sables sont remobilisés est privilégiée. Ainsi, par comparaison avec la distribution azimutale actuelle des vents à l’échelle de l’année et en accord avec les reconstitutions pour le LGM, il est suggéré qu’au Pléniglaciaire supérieur la déflation éolienne était décalée vers la saison estivale, c’est-à-dire après la phase de dégel des sols et de fonte de la neige. Au contraire, les orientations établies pour le Pléniglaciaire moyen et le Dyras récent refléteraient une déflation active en période hivernale. / Le Pleniglacial, the north-west during the Upper Pleniglacial, and from south-southwest throughout the Younger Dryas. Here, we connect changing wind directions to seasonal variations in aeolian transport. Comparing annual azimuthal distribution of current wind regimes with wind regime models for LGM suggests that during the Upper Pleniglacial the dominant aeolian transport season shifted towards the summer, i.e. after seasonally frozen ground thawed and snow cover melted. Conversely, Middle Pleniglacial and Younger Dryas wind regimes reflect a general deflation during the winter.

La baie de Seine forme aujourd'hui une vaste dépression marine d'environ 5 000 km 2 , située entre la Manche centrale au Nord, le Cotentin à l'Ouest et le Bassin parisien au Sud et à l'Est. Les nouvelles données sismiques THR (2007-2009) couplées aux données de dragages (2009) acquises en baie de Seine pour la thèse, ont permis de réviser la carte géologique du substratum de la Baie de Seine, d'établir les liens entre ce substratum et la Seine périglaciaire plio-quaternaire et de proposer pour cette dernière un nouveau modèle de dépôt et d'évolution. Le substratum géologique de la baie de Seine présente des formations stratigraphiques et des structures géologiques variées, similaires à celles décrites dans le bassin versant de la baie de Seine. Ce substratum consiste en une structure monoclinale dans l'ensemble de la baie et une structure synclinale au Nord de la baie, toutes deux affectées par des failles. Plusieurs faits nouveaux ont pu être mis en évidence au cours de l'étude du substratum, notamment la reconnaissance de surfaces stratigraphiques majeures connues à terre mais non identifiées jusqu'à présent en baie de Seine, l'existence dans la zone du synclinal de glissements gravitaires tertiaires. Un réseau de paléovallées submergé plio-quaternaire est incisé dans le substratum. Les cycles " glaciaire-interglaciaire " plio-quaternaires et la nature du substratum (lithologie, cuesta, pente, failles, déformations) jouent un rôle majeur dans l'évolution du système fluviatile de la paléoSeine. Cette évolution a été étudiée au travers de la description des terrasses étagées et des nappes emboîtées identifiées en sismique. La paléoSeine montre ainsi l'étagement de trois terrasses alluviales (la Seine ancienne du début du Pléistocène moyen ; la Seine saalienne ; la Seine weichsélienne). Cette reconnaissance des terrasses pléistocènes de la paléoSeine permet de distinguer au moins un épisode important de surrection. Cette surrection, datée du Pléistocène moyen au début du Weichsélien, est estimée à environ 0,07 à 0,1 mm/an, et s'inscrit dans le prolongement du soulèvement connu en Europe du Nord depuis le Néogène avec des mouvements compressifs liés à la convergence Afrique-Eurasie.

Les dépôts éoliens quaternaires du Bassin aquitain constituent un rare exemple de système éolien périglaciaire fossile loin des marges des grands inlandsis. L'étude de ce système permet d'appréhender l'expression de la dynamique éolienne dans une région située, au cours des stades gla- ciaires, à la charnière entre le domaine nord- européen sous influence du pergélisol continu et la ceinture semi-aride/aride à gel saisonnier du sud de l'Europe. L'étude de ces dépôts éoliens contribue enfin à améliorer la caractérisation des paysages auxquels les groupes paléolithiques du SO de la France ont été confrontés. Dans cette perspective, ce travail propose un bilan chronostratigraphique des accumulations sableuses plé- istocènes et holocènes dans le désert des Landes, ainsi qu'une analyse cartographique des principaux faciès éoliens du Bassin Aquitain. Le bilan est fondé sur l'étude stratigraphique détaillée (faciès sédimentaires, paléopédologie) de nombreuses coupes inédites et sur 75 dates numériques (OSL, ESR, 14C). La morphologie des édifices dunaires, l'organisation spatiale des faciès et leur origine sont abordées en combinant : 1) une étude cartographique des dunes à l'aide d'un SIG; 2) une étude géostatistique des variations d'épaisseur et des gradients granulométriques; 3) une étude géochimique (statistiques multivariées pour données compositionnelles) des dépôts loessiques et de leurs sources potentielles. L'histoire de l'erg landais qui en résulte s'avère être complexe. Cet erg s'installe dès le Pléistocène inférieur et des épandages sableux Pléistocène moyen ont été documentés, en accord avec les enregistrements en milieu loessique. Un cadre chronostratigraphique détaillé est établi pour le Pléistocène supérieur. La phase la plus ancienne (56-50 ka) correspond à des épandages sableux en contexte relativement humide, influencé par les variations du niveau de la nappe phréatique et associé à de vastes champs de rides barkhanoïdes ou transverses de faible ampleur (type zibars). Pendant cette phase, un gley tourbeux se développe et témoigne d'un épisode de diminution de la sédimentation sableuse (probablement GI-14), associé à une végétation steppique à graminées et armoises. Entre 50 et 25 ka les accumulations sableuses sont rares en réponse à l'éloignement du rivage lié à la baisse du niveau marin et/ou à cause d'une diminution de l'activité éolienne suite à l'installation d'un pergélisol. Entre 25 et 14 ka, de vastes épandages sableux se forment dans un contexte de plus en plus sec et cette phase correspond vraisemblablement à l'extension maximum du désert des Landes. Au Tardiglaciaire, la colonisation des sables par la végétation est tardive et la dynamique éolienne reste active tout au long du Bølling et jusqu'à la première partie de l'Allerød. L'installation d'une forêt boréale dans les Landes se produit à la fin de l'Allerød et se marque par le développement d'un podzosol juvénile. Au cours de la détérioration climatique du Dryas récent, des champs de dunes paraboliques s'édifient. Leur mise en place semble avoir débuté localement dès l'oscillation froide intra-Allerød. Pour le Pléistocène supérieur, les principaux facteurs qui ont contrôlé la distribution des faciès éoliens et le bilan sédimentaire ont pu être définis. D'un point de vue paléogéographique, l'erg aquitain apparait composé d'une mosaïque de dépôts éoliens d'âge différent : principalement Pléistoce ne moyen dans le Médoc, Pléniglaciaire moyen weichsélien au sud du Plateau Girondin et Pléniglaciaire supérieur dans le sud des Landes. La comparaison avec les enregistrements éoliens eu- ropéens (Pays-Bas, Angleterre, NO de la France, Espagne, Portugal) montre que le Bassin Aquitain présente de nombreuses affinités avec le SO de l'Europe. La modélisation spatiale de la granularité des dépôts éoliens et l'étude géochimique convergent vers une relation génétique entre les différents facie s éoliens. Les loess dérivent principalement de l'abrasion des sables. Seuls les loess de l'Entre-deux-Mers montrent une contribution d'origine fluviatile significative. La direction des vents nourriciers, obtenue à partir des gradients granulométriques et des morphologies dunaires, semble avoir changé au cours du temps. Celle-ci est orientée O-E au Pléniglaciaire moyen, puis NO-SE au Pléniglaciaire supérieur, tandis qu'au Dryas récent la direction est plutôt SSO-NNE. Dans ce travail, l'hypothèse d'un changement de la saison à laquelle les sables sont remobilisés est privilégiée. Ainsi, par comparaison avec la distribution azimutale actuelle des vents à l'échelle de l'année et en accord avec les reconstitutions pour le LGM, il est suggéré qu'au Pléniglaciaire supérieur la déflation éolienne était décalée vers la saison estivale, c'est-à-dire après la phase de dégel des sols et de fonte de la neige. Au contraire, les orientations établies pour le Pléniglaciaire moyen et le Dyras récent refléteraient une déflation active en période hivernale.

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