Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration.

L'évolution topographique des chaînes de montagne résulte d'interactions complexes entre la tectonique et le climat via l'action des processus de surface. La quantification de l'évolution du relief passe par le développement d'outils méthodologiques permettant d'identifier les processus mis en jeu pour des échelles de temps (103-106 années) et d'espace (1-100 km) caractéristiques de contextes orogéniques. Dans cette étude, l'évolution Néogène et Quaternaire du relief des Alpes Européennes est abordée à partir d'une approche couplant la thermochronométrie basse-température in-situ (essentiellement (U-Th-Sm)/He et 4He/3He sur apatite) et la modélisation numérique. Le développement d'une méthode numérique associant la modélisation thermo-cinématique (Pecube) à un algorithme d'inversion (Neighbourhood Algorithm) permet l'interprétation quantitative de données thermochronologiques en termes d'histoires d'exhumation et d'évolution du relief. La quantification de l'évolution du relief reste néanmoins problématique et fortement dépendante du contexte géomorphologique étudié. Cette étude implique la nécessité de repenser a priori la stratégie d'échantillonnage et d'interprétation des données suivant le contexte géomorphologique considéré et le signal d'exhumation que l'on cherche à quantifier via la thermochronologie. Enfin, l'application de cette approche à un jeu de données thermochronologiques échantillonnées dans le massif des Ecrins-Pelvoux (Alpes françaises) révèle l'existence d'un épisode d'exhumation rapide cessant autour de ~5-6 Ma, encadré par des taux d'exhumation plus modérés. Cependant, les données ne permettent pas de conclure quant à l'évolution tardi-Néogène du relief dans le massif des Ecrins-Pelvoux. L'application de la thermochronométrie 4He/3He dans la vallée du Rhône (Alpes suisses), couplée à des données thermochronologiques issues de la littérature, confirme un épisode d'exhumation rapide jusqu'à ~5-7 Ma, et révèle une augmentation majeure du relief local (~1-1.5 km) associée au creusement des vallées par d'importants appareils glaciaires. Le début de cette phase de creusement correspond à la transition climatique Mi-Pléistocène (~1 Ma) depuis des cycles glaciaires symétriques de 40 ka vers des cycles asymétriques (100 ka) de plus forte amplitude. Ces données permettent également de reconstruire la topographie pré-glaciaire du bassin versant du Rhône, et ainsi d'évaluer, à une échelle plus globale, l'impact des glaciations Pléistocènes sur l'évolution du relief. Des résultats préliminaires issus de la modélisation numérique des processus glaciaires mettent en évidence le potentiel d'une telle approche afin de tester quantitativement l'influence de la transition climatique Mi-Pléistocène sur le développement du relief alpin, ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. Enfin, l'étude de l'évolution topographique post-glaciaire dans le massif des Ecrins-Pelvoux (modélisation numérique et utilisation du 10Be cosmogénique produit in-situ) met en évidence une dynamique d'érosion fluviale pouvant atteindre localement des vitesses de l'ordre du cm an-1, illustrant l'évolution géomorphologique rapide en réponse à la transition climatique entre le tardi-Pléistocène et l'Holocène. / The topographic evolution of mountain belts results from complex couplings between tectonics, climate and surface processes. Quantifying landscape evolution requires methodological tools to constrain forcing processes over temporal (103-106 years) and spatial (1-100 km) scales characteristic of orogenic systems. This thesis investigates the Neogene and Quaternary relief evolution of the European Alps using in situ low-temperature thermochronometry (mostly apatite (U-Th-Sm)/He and 4He/3He) and numerical modeling. A novel numerical approach combining thermal-kinematic modeling (Pecube) with an inversion scheme (Neighbourhood Algorithm) allows extracting quantitative information on exhumation and relief histories from thermochronological datasets. Quantifying relief evolution remains problematic, however, and strongly depends on the geomorphic setting. Our results show that both thermochronology data sampling and modeling strategies have to be considered a priori, in function of the geomorphic setting and the spatial/temporal scale of the exhumation signal to be constrained. This approach has been applied on a thermochronological dataset collected in the Ecrins-Pelvoux massif (French Alps). The results show a pulse of rapid exhumation until ~5-6 Ma, preceded and followed by more moderate rates of exhumation. However, the data cannot resolve the late-Neogene relief evolution in the Ecrins-Pelvoux massif. New 4He/3He thermochronometry data from the Rhône valley (Swiss Alps), combined with thermochronological data from the literature, also point out an episode of rapid exhumation until ~5-7 Ma, and reveal a major increase in local topographic relief (~1-1.5 km) linked to valley carving by large mountain glaciers. The onset of this phase of relief carving corresponds to the Mid-Pleistocene transition from symmetric 40-ka to asymmetric and high amplitude 100-ka glacial/interglacial oscillations. The new data also permit to reconstruct the pre-glacial topography of the Rhône basin, and to evaluate the net effect of Pleistocene glaciations on relief evolution at the basin scale. Preliminary results from numerical modeling of glacial dynamics highlight the potential opportunity of using such an approach to quantitatively assess the impact of the Mid-Pleistocene climate transition on Alpine relief development, leading to new research avenues. Finally, the post-glacial topographic evolution of the Ecrins-Pelvoux massif has been studied using numerical modeling and in situ cosmogenic 10Be analyses. The results suggest efficient fluvial incision at rates of cm yr-1, illustrating the efficient landscape response to late-Pleistocene/Holocene climate change.

Dans un contexte où des millions de personnes dépendent de la ressource en eau exposée au caprice de la mousson en Afrique de l'Ouest, ce travail de thèse vise à mieux appréhender les processus hydrologiques en zone de socle, et notamment à évaluer le rôle de la redistribution latérale de l'eau dans le sol par les interactions entre les réservoirs souterrains, la végétation et l'atmosphère, par la caractérisation et la modélisation à l'échelle de la parcelle et du versant. Ce travail s'appuie sur le dispositif expérimental déployé dans le petit bassin versant de l'Ara dans le cadre de l'observatoire AMMA-CATCH. La mise en oeuvre du modèle ParFlow-CLM permet de simuler les transferts dans la zone saturée et la zone non saturée par la résolution de l'équation de Richards en 3D, en étant conditionné par un forçage atmosphérique en surface. Après avoir identifié les paramètres influents pour les transferts verticaux, une caractérisation spatiale de ces paramètres a été menée. La configuration du modèle a ensuite été évaluée en 1D. Il est montré que le modèle reproduit de manière pertinente les séries temporelles du bilan d'énergie et la distribution de l'eau dans le sol. L'effet de la variabilité spatiale des paramètres hydrodynamiques est ensuite étudié à l'échelle de la parcelle. Enfin, en incluant les géométries de socle connues et une distribution de végétation, les transferts horizontaux souterrains sont mis en évidence avec la formation de zones sèches ou humides en relation avec des distributions spatiales d'évapotranspiration. / In West Africa, millions of people rely on water resources exposed to the monsoon variability. In this context, the aim of this thesis is to better understand hydrological processes in bedrock areas, and more particularly to estimate the role of lateral redistribution of soil water by the interactions between underground reservoirs, vegetation and atmosphere, using hydrogeological prospection and modeling at field and catena scale. This work is supported by the experimental device implemented in the small Ara catchment in the framework of the AMMA-CATCH observatory. The use of the ParFlow-CLM model allows the simulation of transfers in the saturated and the vadose zone by solving the Richards equation in 3D. The model was forced using observed atmospheric forcing at the surface. We first identify influential parameters for vertical water transfers. Then a spatial characterization of these parameters is carried out. The 1D version of the Parflow-CLM model is assessed using observed data. We show that the model provides relevant times series of the surface energy balance and of soil water distribution as compared to the observations. The impact of the spatial variability of the hydraulic parameters at the field scale (<1 ha) is studied. Finally, the bedrock geometry and the spatial distribution of vegetation are taken into account in the modelling. This allows the identification of horizontal subsurface lateral fluxes, which generate wet and dry patterns, which are related to the spatial distribution of evapotranspiration.

This thesis deals with the role of precipitation on erosion and landscape formation in the Nepal Himalayas. I investigate all successive steps involved in the erosion process: 1) Starting from the evaluation of precipitation datasets, 2) the transfer of precipitation to river discharge, 3) the mobilization and transport of material out of the mountain range, 4) and finally, erosion constrains over longer time-scales. I show that the dataset derived from the interpolation of rain gauge data performs best in the Himalayas. I demonstrate the importance of an until now unconsidered, major compartment of the Himalayan discharge cycle, which I identify as a fractured basement aquifer, and estimate the snow and ice melt contribution to the Himalayan rivers. Erosion rates calculated from suspended sediment fluxes and cosmogenic nuclide analysis range between 0.1 and 4 mm/yr. The rivers in the Nepal Himalayas are supply limited and the hillslopes as contributing source are transport limited. Last I show that over several thousand years erosion is not related with precipitation, but with relief. / Cette thèse porte sur le rôle des précipitations sur l’érosion et la formation des reliefs dans l’Himalaya Népalais. J’étudie chaque étape du processus d’érosion : 1) Evaluation des bases de données de précipitations, 2) Transfert des précipitations au débit fluvial, 3) Mobilisation et transport du matériel dans le bassin versant, et enfin 4) Mécanismes d’érosion sur de longues échelles de temps. Je montre que la base de données de précipitations obtenue par interpolation de données pluviométriques est la plus performante pour la région de l\'Himalaya. Je démontre l’importance d’une composante majeure, jusqu’alors ignorée, du cycle de débit de l’Himalaya que j’identifie comme étant les aquifères de sous-sol fracturé, et j’évalue la contribution de la fonte des neiges et glaces aux rivières Himalayennes. Les taux d’érosion calculés à partir des flux de sédiments en suspension et des analyses de nucléides cosmogéniques varient de 0.1 à 4 mm/a. Les rivières au Népal sont limitées par l’apport sédimentaire alors que les versants, en tant que source de sédiments, sont limités par le transport. Enfin, je montre que l’érosion sur des milliers d’années ne dépend des précipitations mais du relief. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle des Niederschlag bei Erosions- und Oberflächenprozessen im nepalesischen Himalaja. Ich untersuche die Abfolge der Erosionspsozesse im Himalaja: 1) Ausgehend von der Bewertung von Niederschlagsdatensätzen, 2) die Prozesse der Abflussbildung in Flüssen, 3) die Mobilisierung und Transport von Material, 4) und Erosionsraten über längere Zeiträume. Ich zeige, dass interpolierte Niederschlagsdaten die beste Qualität im Himalaya haben. Ich zeige auf, wie wichtig der bislang unberücksichtigt Grundwasserzwischenspeicher für die Abflussbildung im Himalaya ist und schätze den Anteil der Schnee-und Eisschmelze an dem Gesamtabfluss der Flüssen im Himalaja. Erosionsraten die mittels Schwebestofffracht und der Analyse kosmogener Nukluide berechnet wurden, liegen zwischen 0,1 und 4 mm pro Jahr. Der Sedimenttransport in den Flüssen in Nepal ist limitiert durch die Verfügbarkeit von transportierbarem Material, während der Transport und die Mobilisierung auf den Hängen durch die Verfügbarkeit von Wasser limitiert ist. Zudem sind die Erosionsraten über mehrere Jahrhundert nicht von der Niederschlagsverteilung abhängig sondern vom Relief.

Orogenic belts are fundamental features of plate tectonics. The crustal structure of orogens around the world shows a wide range of deformation styles from narrow, asymmetric wedges like the Pyrenees to wide, plateau-like orogens such as the Zagros or the Himalaya. The primary controlling factor on the size and structure of an orogen is the amount of convergence between the colliding plates. However, there are important additional factors providing major controls on the structural development of orogens. Among the potential parameters that can affect the style of deformation are the crustal strength, inherited weaknesses, and the surface processes. These parameters have been studied extensively in the past but their relative importance remains unclear. The aim of this thesis is to improve our understanding of: (1) How surface processes affect mountain building, with a special focus on the relationship between thin-skinned foreland and thick-skinned internal deformation of orogens. (2) How inherited extensional structures affect mountain building. The study was carried out using the Pyrenees as a special reference case. To answer our research questions we have used a wide range of state-of-the-art numerical modelling tools. In paper 1 we present a new method where we couple a structural-kinematic model and a thermo-kinematic model to evaluate the consistency of existing balanced section reconstructions with independent thermochronology data. In papers 2 and 3 we use 2D lithospheric scale thermo-mechanical models with surface process algorithms. Using the above toolset, we demonstrate that syntectonic sedimentation results in longer basement thrust sheets as well as longer thin-skinned thrust sheets and a generally wider orogen. Conversely erosion tends to narrow the wedge and reduce the orogenic loading of the colliding plates, limiting the space available for deposition in the flexural foreland deeps. We also demonstrate that inherited extensional structures play a crucial role in mountain building as they facilitate the migration of deformation into the undeformed basement of the overriding plate. Moreover, a significant amount of lower-crustal/mantle-lithospheric material is preserved at shallow depths only in the presence of extensional inheritance, but significant erosion is needed in order to bring this material to the surface. Our models also show that thin-skinned thrust sheets are generally rooted in the footwall of basement thrusts as they form outward-propagating sequences. As soon as a new basement thrust forms, the thin-skinned sequence situated on top of the new basement thrust-sheet is abandoned in favour of starting a new sequence in the footwall of the new thrust. Regarding our case study, it was possible to reproduce the section restoration using a structural-kinematic model with high accuracy up to the 36-Ma time slice and with limited accuracy up to the 50-Ma time slice. The thermochronometric ages predicted by the thermo-kinematic modelling are generally in good agreement with both the high- and low-temperature thermochronology data available in the Central Pyrenees; hence we conclude that the restoration is to a first order consistent with these datasets. The predicted thermochronological ages approximate the available low-temperature thermochronology data better by taking into account the late-stage burial and re-excavation scenario affecting the southern flank of the Pyrenean wedge presented by Coney et al. (1996), and quantified by Fillon and van der Beek (2012). In conclusion, our model experiments suggest, that extensional inheritance played a prime role in the structural evolution of the Pyrenees, with the major characteristics of the North Pyrenean Unit, including the presence of steep, inverted normal faults, the relative tectonic quiescence of the area after the early inversion and the presence of a lower-crustal body at shallow depth below the unit, best recaptured by our accordion models. / Orogenic belts are fundamental features of plate tectonics. The crustal structure of orogens around the world shows a wide range of deformation styles from narrow, asymmetric wedges like the Pyrenees to wide, plateau-like orogens such as the Zagros or the Himalaya. The primary controlling factor on the size and structure of an orogen is the amount of convergence between the colliding plates. However, there are important additional factors providing major controls on the structural development of orogens. Among the potential parameters that can affect the style of deformation are the crustal strength, inherited weaknesses, and the surface processes. These parameters have been studied extensively in the past but their relative importance remains unclear. The aim of this thesis is to improve our understanding of: (1) How surface processes affect mountain building, with a special focus on the relationship between thin-skinned foreland and thick-skinned internal deformation of orogens. (2) How inherited extensional structures affect mountain building. The study was carried out using the Pyrenees as a special reference case. To answer our research questions we have used a wide range of state-of-the-art numerical modelling tools. In paper 1 we present a new method where we couple a structural-kinematic model and a thermo-kinematic model to evaluate the consistency of existing balanced section reconstructions with independent thermochronology data. In papers 2 and 3 we use 2D lithospheric scale thermo-mechanical models with surface process algorithms. Using the above toolset, we demonstrate that syntectonic sedimentation results in longer basement thrust sheets as well as longer thin-skinned thrust sheets and a generally wider orogen. Conversely erosion tends to narrow the wedge and reduce the orogenic loading of the colliding plates, limiting the space available for deposition in the flexural foreland deeps. We also demonstrate that inherited extensional structures play a crucial role in mountain building as they facilitate the migration of deformation into the undeformed basement of the overriding plate. Moreover, a significant amount of lower-crustal/mantle-lithospheric material is preserved at shallow depths only in the presence of extensional inheritance, but significant erosion is needed in order to bring this material to the surface. Our models also show that thin-skinned thrust sheets are generally rooted in the footwall of basement thrusts as they form outward-propagating sequences. As soon as a new basement thrust forms, the thin-skinned sequence situated on top of the new basement thrust-sheet is abandoned in favour of starting a new sequence in the footwall of the new thrust. Regarding our case study, it was possible to reproduce the section restoration using a structural-kinematic model with high accuracy up to the 36-Ma time slice and with limited accuracy up to the 50-Ma time slice. The thermochronometric ages predicted by the thermo-kinematic modelling are generally in good agreement with both the high- and low-temperature thermochronology data available in the Central Pyrenees; hence we conclude that the restoration is to a first order consistent with these datasets. The predicted thermochronological ages approximate the available low-temperature thermochronology data better by taking into account the late-stage burial and re-excavation scenario affecting the southern flank of the Pyrenean wedge presented by Coney et al. (1996), and quantified by Fillon and van der Beek (2012). In conclusion, our model experiments suggest, that extensional inheritance played a prime role in the structural evolution of the Pyrenees, with the major characteristics of the North Pyrenean Unit, including the presence of steep, inverted normal faults, the relative tectonic quiescence of the area after the early inversion and the presence of a lower-crustal body at shallow depth below the unit, best recaptured by our accordion models.

This thesis deals with the role of precipitation on erosion and landscape formation in the Nepal Himalayas. I investigate all successive steps involved in the erosion process: 1) Starting from the evaluation of precipitation datasets, 2) the transfer of precipitation to river discharge, 3) the mobilization and transport of material out of the mountain range, 4) and finally, erosion constrains over longer time-scales. I show that the dataset derived from the interpolation of rain gauge data performs best in the Himalayas. I demonstrate the importance of an until now unconsidered, major compartment of the Himalayan discharge cycle, which I identify as a fractured basement aquifer, and estimate the snow and ice melt contribution to the Himalayan rivers. Erosion rates calculated from suspended sediment fluxes and cosmogenic nuclide analysis range between 0.1 and 4 mm/yr. The rivers in the Nepal Himalayas are supply limited and the hillslopes as contributing source are transport limited. Last I show that over several thousand years erosion is not related with precipitation, but with relief. / Cette thèse porte sur le rôle des précipitations sur l’érosion et la formation des reliefs dans l’Himalaya Népalais. J’étudie chaque étape du processus d’érosion : 1) Evaluation des bases de données de précipitations, 2) Transfert des précipitations au débit fluvial, 3) Mobilisation et transport du matériel dans le bassin versant, et enfin 4) Mécanismes d’érosion sur de longues échelles de temps. Je montre que la base de données de précipitations obtenue par interpolation de données pluviométriques est la plus performante pour la région de l\'Himalaya. Je démontre l’importance d’une composante majeure, jusqu’alors ignorée, du cycle de débit de l’Himalaya que j’identifie comme étant les aquifères de sous-sol fracturé, et j’évalue la contribution de la fonte des neiges et glaces aux rivières Himalayennes. Les taux d’érosion calculés à partir des flux de sédiments en suspension et des analyses de nucléides cosmogéniques varient de 0.1 à 4 mm/a. Les rivières au Népal sont limitées par l’apport sédimentaire alors que les versants, en tant que source de sédiments, sont limités par le transport. Enfin, je montre que l’érosion sur des milliers d’années ne dépend des précipitations mais du relief. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle des Niederschlag bei Erosions- und Oberflächenprozessen im nepalesischen Himalaja. Ich untersuche die Abfolge der Erosionspsozesse im Himalaja: 1) Ausgehend von der Bewertung von Niederschlagsdatensätzen, 2) die Prozesse der Abflussbildung in Flüssen, 3) die Mobilisierung und Transport von Material, 4) und Erosionsraten über längere Zeiträume. Ich zeige, dass interpolierte Niederschlagsdaten die beste Qualität im Himalaya haben. Ich zeige auf, wie wichtig der bislang unberücksichtigt Grundwasserzwischenspeicher für die Abflussbildung im Himalaya ist und schätze den Anteil der Schnee-und Eisschmelze an dem Gesamtabfluss der Flüssen im Himalaja. Erosionsraten die mittels Schwebestofffracht und der Analyse kosmogener Nukluide berechnet wurden, liegen zwischen 0,1 und 4 mm pro Jahr. Der Sedimenttransport in den Flüssen in Nepal ist limitiert durch die Verfügbarkeit von transportierbarem Material, während der Transport und die Mobilisierung auf den Hängen durch die Verfügbarkeit von Wasser limitiert ist. Zudem sind die Erosionsraten über mehrere Jahrhundert nicht von der Niederschlagsverteilung abhängig sondern vom Relief.