Les Ferralsols se caractérisent par une microstructure très développée dont dépend étroitement leur fertilité. Cette microstructure repose sur des microagrégats très stables, de 50 à 800 µm de diamètre. Sous végétation naturelle comme sous pâturage, la densité apparente des sols, la taille et le mode d'assemblage des microagrégats, ainsi que la caractérisation de la matière organique, ont permis de mettre en évidence d'importantes variations avec la profondeur. Nous avons établi une typologie du mode d'assemblage des microagrégats ainsi qu'un modèle mettant en relation structure et porosité. La matière organique se singularise, en pyrolyse, par une composante de haute température, d'origine conjecturale, mais très probablement due à un effet de matrice minérale. L'ensemble des variations observées ne peuvent a priori s'expliquer par des différences d'usage du sol, mais plutôt grâce à l'activité des insectes sociaux qui sont vraisemblablement à l'origine des microagrégats.

Cette thèse est une étude du bassin d’avant-pays de l’Oural méridional au Kazakhstan (Mougodjar) à partir de données sédimentologiques (affleurements) et de sub-surface (profils sismiques, puits). Une étude sédimentologique des séries turbiditiques d’âge Carbonifère terminal-Permien inférieur a été menée dans le Mougodjar. L’étude des dépôts a permis de caractériser les environnements des dépôts turbiditiques et de mettre en évidence des séquences de long terme se succédant du Carbonifère terminal au Permien inférieur. L’analyse des faciès turbiditiques montre que les séquences de long terme sont contrôlées par les fluctuations du niveau marin global sous contrôle glacio-eustatique. L’orogenèse du Permien inférieur associée à la surrection de l’Oural a contrôlé le volume et la nature des apports sédimentaires alimentant le bassin d’avant-pays. Ceci se traduit par l’importance variable des conglomérats et brèches de démantèlement du matériel volcanique et des plate-formes carbonatées situées sur les marges du bassin et par des réorganisations locales des pentes sous-marines (changements de sens des paléo-courants). Les minéraux smectitiques dominent les assemblages argileux analysés dans les séries du Carbonifère terminal au Permien inférieur. L’illite, la kaolinite et la chlorite sont présentes en plus faibles proportions. Les assemblages argileux indiquent une relative pérennité des apports détritiques qui varient au cours du temps selon la distribution des faciès turbiditiques. Les fluctuations climatiques n’apparaissent pas contrôler la distribution des minéraux argileux qui semble plutôt associée (1) à l’érosion de stocks argileux variés en fonction des fluctuations eustatiques et/ou (2) à la redistribution du matériel détritique le long d’un transect proximal-distal sous l’effet de processus de tri granulométrique. La distribution de la matière organique principalement marine du Dévonien moyen au Carbonifère, montre que les paléoenvironnements étaient favorables à de fortes paléo-productivité de surface probablement associées à une dysoxie/anoxie de toute ou partie de la colonne d’eau, dans un contexte de bassin marin restreint. Les plus fortes valeurs de COT (20 %) mesurées dans la coupe de Kiya (Famennien) sont pourraient être associées à un des OAEs majeurs du Dévonien, l’évènement Hangenberg, mais la précision des données biostratigraphiques disponibles ne permet pas de l’assurer. Quoi qu’il en soit, les OAE qui se succèdent au Dévonien auraient pu favoriser l’accumulation et la préservation de la matière organique dans le Dévonien du Mougodjar, en plus des facteurs physiographiques (restriction du bassin vers le sud). Les fortes concentrations en carbone organique (COT 20%) des sédiments dévoniens montrent de bonnes roches mères potentielles. Les teneurs en carbone organique, surtout d’origine terrestre, des sédiments turbiditiques permiens sont plus faibles (COT pouvant cependant atteindre 4%) mais assez élevées dans certains niveaux stratigraphiques. Les faciès silto-sableux proximaux ont livré les plus fortes concentrations en COT. Ces turbidites permiennes ont des caractéristiques de réservoirs. Elles peuvent aussi se révéler de roches-mères gas-prone potentielles. L’interprétation des données de sub-surface nous a permis de préciser la structure du bassin d’avant-pays à l’échelle de l’Oural méridional. Il est constitué de plis et de chevauchements à vergence est qui résultent d’une évolution polyphasée. Les plis s’amortissent vers l’ouest et passent à la partie peu déformée du bassin puis à la plate-forme. A partir de ces données nous avons reconstruit des schémas d’évolution tectono-sédimentaire et des cartes paléogéographiques de la partie occidentale du Mougodjar. / This thesis is dedicated to the study of the foreland basin of southern Ural in Kazakhstan (Mougodjar). Sedimentological data have been collected from field investigations, and sub-surface data (seismic profiles, wells) have been studied. A sedimentological investigation of the turbidites, Carboniferous to Early Permian in age, has been performed. It allowed to characterize the environments of deposition of the turbidites and to evidence the long-term succession from uppermost Carboniferous to early Permian. The analysis of turbides indicates that the long-term sequences are controlled by global sea-level changes controlled by glacio-eustatism. The Early Permian orogeny, associated to the uplift of the Ural chain, controlled the quantity and quality of the sedimentary input sourcing the foreland basin. Important variations in the conglomeratic levels reflect (1) the erosion of material from the volcanic arc and carbonate platforms constituting the margins of the basin, and (2) local reorganizations of sub-marine slopes (changes in paleo-current directions). The smectitic minerals are the most frequent in the clay minerals assemblages reported in the uppermost Carboniferous to Early Permian sequences. Illite, Kaolinite, and chlorite are less frequently observed. This assemblage of clay minerals shows a permanence of detrital sources filling the basin. This pattern is thought to reflect a sorting effect of the clay particles along a proximal-distal transect, either than a direct paleoclimatic control. The distribution of the organic matter, mainly marine from the Middle Devonian to the Carboniferous indicates that the paleoenvironments were looked favourable to high surface paleoproductivities associated to a dysoxy/anoxy of all, or part, of the water column in the context of a restricted marine basin. The highest values of COT (20 %) found in the Kiya section (Fammenian) may be associated to a major Devonian OAE, the Hangenberg event. However, the accuracy of available biostratigraphic data does not allow to ensure such correlation. Indeed, OAE events may have favoured the accumulation and preservation of the organic matter in the Mougodjar, in addition to physiographical effects (e.g., the relative closure of the basin toward the south). The high concentration in organic carbon (COT 20%) of the Devonian sediments shows good potential source rocks. The content in organic matter, mainly from terrestrial origin, of the Permian turbidites are lower (COT reaching up to 4%), but quite high in some stratigraphic levels. The proximal silty-sandy deposits display the higher COT values. These Permian turbidites may be good reservoirs. They could also be potential gas-prone source rocks. The study of the sub-surface data allowed us to determine the structure of the foreland basin at the scale of southern Ural. It is constituted of folds and west-vergent thrusts resulting from a polyphased tectonic evolution. The folds gradually disappear toward the west passing westward either to the stable Russian platform in the north or to the eastern Pre-Caspian basin to the south. We have reconstructed the tectono-sedimentary evolution of the western Mougodjar through paleogeographic maps. Five key periods have been selected between the Devonian to early Permian period. Our reconstructions evidence two main orogenic events: (1) a first collision between the European continent and the Magnitogorsk volcanic arc in Middle Devonian, and (2) the major uralian orogeny during the Late Carboniferous to Early Permian times resulting from the collision of the European continent with the Kazakh and Siberian plates. This event originated the foreland basin, which is almost completely fulfilled by a thick detrital sequence. In Kungurian, the foreland basin is almost completely isolated and a thick evaporitic sequence deposited.

Les sols de montagne représentent d'importants réservoirs de carbone (C) potentiellement vulnérables aux changements climatiques et changements d'usage qui les affectent de manière amplifiée. Or la grande variabilité de ces milieux, leur faible accessibilité ainsi que le manque d'outils de mesure appropriés limitent nos connaissances qui restent aujourd'hui très fragmentaires en ce qui concerne les stocks, la chimie et la réactivité du carbone organique des sols (COS). Ces informations sont pourtant nécessaires pour appréhender l'évolution de ces sols et de leur C dans ce contexte de changements globaux. Les objectifs de ce travail de thèse étaient (i) d'accéder à une meilleure compréhension de la nature, de la stabilité et de la vulnérabilité du COS dans une mosaïque d'écosystèmes des Préalpes calcaires (massif du Vercors), (ii) de rechercher des outils de caractérisation rapides et fiables adaptés à l'étude et au suivi du COS à l'échelle du paysage, et enfin (iii) de proposer des indices pour l'évaluation et le suivi de la qualité des sols en milieu de montagne. Dans un premier temps, nous avons testé l'application de la pyrolyse Rock-Eval pour l'étude du COS à grande échelle sur un ensemble d'unités écosystémiques. Nous avons ensuite comparé la pyrolyse Rock-Eval à deux techniques classiques d'étude de la matière organique du sol (MOS) : le fractionnement granulodensimétrique de la MOS et la spectroscopie moyen infrarouge. Ces approches analytiques couplées nous ont permis de quantifier les stocks de C à l'échelle de la zone d'étude et d'expliquer la stabilité et la vulnérabilité du COS sous des angles variés. Les facteurs responsables des patrons observés dans les différentes unités écosystémiques sont discutés. Ce travail a également confirmé la pertinence de l'outil Rock-Eval pour répondre aux objectifs fixés. Parallèlement, des approches biologiques nous ont permis d'évaluer l'importance de la composante microbienne dans ces sols. Enfin, des indices évaluant le statut organique des sols (stockage de COS, fertilité des sols, vulnérabilité du COS) sont proposés pour constituer des outils de gestion et d'aide à la décision.

Les Taillis à Très Courte Rotation sont une culture destinée à produire des plaquettes de bois énergie. L'objectif de la thèse était d'étudier l'impact des TTCR sur le fonctionnement des sols et de proposer des indicateurs de qualité. Cinq prélèvements ont été effectués chaque printemps et automne entre 2010 et 2012 sur les sols de quatre couples de TTCR et bandes enherbées, d'une forêt alluviale et d'un agrosystème, localisés dans la vallée de l'Aisne. Les paramètres suivants ont été mesurés: matières organiques, carbone total, capacité d'échange cationique et éléments échangeables, phosphore disponible, minéralisation du carbone et de l'azote, biomasse, abondance et diversité des communautés lombriciennes, abondance relative et diversité des communautés fongiques et bactériennes, activités enzymatiques, caractérisations physiques et chimiques des matières organiques. 6 années après la mise en place des TTCR, les densités fongiques et lombriciennes, la respiration basale, l'activité laccase étaient plus élevées dans les TTCR par rapport à l'agrosystème. Ces modifications peuvent être reliées aux changements quantitatifs et qualitatifs des matières organiques (augmentation du C/N, diminution de l'indice hydrogène). L'azote et le phosphore semblent être limitant mais les retours importants et le turn over rapide de la MO viennent tamponner les fortes exportations. Ces mesures ont conduit à la définition d'indicateurs et aboutissent à la proposition de trois indices : fertilité, activité biologique, abondance et diversité des communautés biologiques. L'utilisation des courbes de réponses principales confirme l'effet positif des TTCR sur la qualité du sol, observée avec le calcul d'indices synthétiques / Short Rotation Coppices (SRC) are a crop system intended to produce energy wood chips. This thesis aimed at assessing the impact of SRC on soil functioning and proposing quality indicators. Five samplings were performed in spring and autumn between 2010 and 2012 on plots including four couples of SRC and grassland, an alluvial forest and an agrosystem, in the Aisne valley. The following parameters were monitored: organic matter, total carbon, cation capacity exchange, available phosphorus, carbon and nitrogen basal respiration, earthworm biomass, density and diversity, fungal and bacterial density and diversity, enzymatic activity, physical and chemical organic matter characterisations. 6 years after conversion to SRC, earthworm and fungal density, basal respiration and laccase activity were higher in SRC soil compared to conventional agrosystem. These changes can be linked to qualitative and quantitative organic matter evolutions (increase of the C/N ratio and decrease of hydrogen index). Nitrogen and phosphorus seemed to be limiting factors for SRC crop yields. However, soil nutrient return and the good turnover of organic matter can buffer strong exportations. The measured parameters led to indicator definition and proposition of three indices: fertility, biological activity, density and diversity of biological communities. Principal response curves confirmed the positive effect of SRC on soil quality as observed with synthetic indices calculation

Les sols de montagne représentent d'importants réservoirs de carbone (C) potentiellement vulnérables aux changements climatiques et changements d'usage qui les affectent de manière amplifiée. Or la grande variabilité de ces milieux, leur faible accessibilité ainsi que le manque d'outils de mesure appropriés limitent nos connaissances qui restent aujourd'hui très fragmentaires en ce qui concerne les stocks, la chimie et la réactivité du carbone organique des sols (COS). Ces informations sont pourtant nécessaires pour appréhender l'évolution de ces sols et de leur C dans ce contexte de changements globaux. Les objectifs de ce travail de thèse étaient (i) d'accéder à une meilleure compréhension de la nature, de la stabilité et de la vulnérabilité du COS dans une mosaïque d'écosystèmes des Préalpes calcaires (massif du Vercors), (ii) de rechercher des outils de caractérisation rapides et fiables adaptés à l'étude et au suivi du COS à l'échelle du paysage, et enfin (iii) de proposer des indices pour l'évaluation et le suivi de la qualité des sols en milieu de montagne. Dans un premier temps, nous avons testé l'application de la pyrolyse Rock-Eval pour l'étude du COS à grande échelle sur un ensemble d'unités écosystémiques. Nous avons ensuite comparé la pyrolyse Rock-Eval à deux techniques classiques d'étude de la matière organique du sol (MOS) : le fractionnement granulodensimétrique de la MOS et la spectroscopie moyen infrarouge. Ces approches analytiques couplées nous ont permis de quantifier les stocks de C à l'échelle de la zone d'étude et d'expliquer la stabilité et la vulnérabilité du COS sous des angles variés. Les facteurs responsables des patrons observés dans les différentes unités écosystémiques sont discutés. Ce travail a également confirmé la pertinence de l'outil Rock-Eval pour répondre aux objectifs fixés. Parallèlement, des approches biologiques nous ont permis d'évaluer l'importance de la composante microbienne dans ces sols. Enfin, des indices évaluant le statut organique des sols (stockage de COS, fertilité des sols, vulnérabilité du COS) sont proposés pour constituer des outils de gestion et d'aide à la décision. / Mountain soils are major reservoirs of carbon (C), potentially vulnerable to climate and land use changes that affect them significantly. However, the great variability of these soils, their limited accessibility and the lack of appropriate measurement tools restrict our knowledge. Today, our comprehension of the biogeochemistry of mountain soils remains very incomplete regarding stocks, chemistry and reactivity of soil organic carbon (SOC). Yet this information is necessary to understand the evolution of soil carbon in the current context of global change. The objectives of this work were (i) to gain a better understanding of the nature, stability and vulnerability of SOC in a mosaic of ecosystems in a calcareous massif in the Alps (Vercors massif), (ii) to search for fast and reliable characterization tools, suitable for the study and monitoring of COS at the landscape scale, and (iii) to propose indicators for the assessment and monitoring of soil quality in mountain regions. As a first step, we tested the application of Rock-Eval pyrolysis for the study of COS at large-scale on a set of ecosystem units. Then, we compared the Rock-Eval approach to two conventional techniques for soil organic matter (SOM) study: the particle-size fractionation of SOM, and the mid-infrared spectroscopy. These coupled analytical approaches allowed us to quantify C stocks across the study area, and explain the stability and the vulnerability of COS at various angles. Factors responsible for the patterns observed in the different eco-units are discussed. This work also confirmed the relevance of the Rock-Eval tool to achieve our previous objectives. Biological approaches allowed us to assess the significance of microbial pool in these soils. Finally, indices assessing the status of SOM (SOC storage, soil fertility, vulnerability COS) were proposed and constituted interesting management tools for decision-makers.

Le bassin de Jaca (Pyrénées espagnoles) est un exemple classique de bassins d’avant pays, où les grandes lignes du remplissage sédimentaire, ainsi que la chronologie des failles ont été très étudiées. Il reste toutefois à mieux comprendre la paléo-hydrologie et l’histoire thermique du bassin, de manière à proposer un modèle de circulation des fluides pendant sa mise en place et sa déformation (Paléocène-Oligocène). Pour ce faire, ce travail propose d’analyser la répartition de la fracturation, d’étudier les conditions de formation des veines syn-tectoniques et de caractériser la maturité de la matière organique sur l’ensemble du paléobassin d’avant-pays de Jaca, des zones internes vers les zones externes.L’analyse pétrographique, géochimique et microthermométrique des veines montre que la grande majorité des fluides minéralisateurs sont à l’équilibre isotopique et thermique avec l’encaissant. Dans le détail, nous avons identifié 2 événements principaux de formation de veines dans la zone interne du bassin (Sierras Interiores), que nous proposons d’associer au fonctionnement des failles majeures dans le socle. Nous suggérons que les fluides circulent le long des niveaux de décollements et sont expulsés sur de courtes distances (< 10 km), au travers des réseaux de fractures, vers le bassin d’avant-pays. Le reste du bassin enregistre principalement des fluides locaux, parfois associés à l’infiltration d’eau météorique. L’analyse des températures d’enfouissement (50°C à 250°C), qui inclut des données de Δ47, montre une organisation N-S relativement homogène depuis les Sierras Interiores (fenêtre à gaz) jusqu’aux Sierras Exteriores (immature), avec des anomalies longitudinales marquées. Les modélisations thermiques 1D sur 9 puits virtuels suggèrent que les températures maximales vers les Sierras Interiores peuvent résulter d’un enfouissement sédimentaire, dont une grande partie est érodée actuellement. Nous proposons que ces parties érodées correspondent à des dépôts tardi-orogéniques conglomératiques déposés à proximité de la zone axiale. Les données suggèrent une répartition non homogène de ces dépôts selon un axe E-W, impliquant des transferts sédimentaires plus complexes qu’habituellement discutés. Au vu de nos résultats et des précédentes études, le modèle paléohydrologique et thermique du bassin de Jaca, et à plus grande échelle, de la chaîne plissée sud-pyrénéenne, est compartimenté à la fois dans l’espace et dans le temps, en lien avec à la propagation latérale et frontale de la déformation, qui contrôle l’ouverture du système. Le modèle paléohydrologique et thermique de la chaîne plissée sud-pyrénéenne constitue donc un potentiel analogue aux chaînes plissées dont le raccourcissement résulte d’une convergence oblique. / The Jaca basin (Spanish Pyrenees) is a classical example of a foreland basin, where the sedimentary filling and the calendar of thrust activation have been extensively studied. It remains to understand the paleohydrology and the thermal history of the basin, so as to provide a fluid flow model related to its formation and deformation (Paleoecene-Oligocene). To do this, this work proposes to analyze the distribution of fracturing, to study the conditions of formation of syn-tectonic veins and to characterize the maturity of organic matter throughout the Jaca foreland basin, from hinterland to external areas.Petrographical, geochemical and microthermometric analysis of veins show that the vast majority of mineralizing fluids are at the isotopic and thermal equilibrium with the host-rock. In detail, we identified two main events of vein precipitation in the inner part of the basin (Sierras Interiores), probably related to major basement thrust activations. We suggest that fluids flow along decollement levels and are expelled over short distances (<10 km), through fracture networks towards the foreland basin. The other part of the basin mainly record local fluids, sometimes associated with the infiltration of meteoric water. Analysis of burial temperatures (50 °C to 250 °C), which includes Δ47 data, shows a relatively homogeneous N-S organization from the Sierras Interiores (gas window) to Sierras Exteriores (immature), with strong longitudinal anomalies. Thermal 1D modelling of 9 virtual wells suggest that the maximum temperatures of Sierras Interiores result from sedimentary accumulation, whose a large amount is now eroded. We propose that this eroded thickness corresponds to late-orogenic conglomeratic deposits near the axial zone. The data suggest an inhomogeneous distribution of the deposits along an E-W axis, involving more complex sedimentary transfers than usually discussed. Given our results and previous studies, the paleohydrological and thermal model of the Jaca basin, and on a larger scale, of the South Pyrenean fold and thrust belt, is compartmentalized both in space and in time, in response to the propagation of and oblique deformational front, which controls the opening of the system. The paleohydrological and thermal model of the South Pyrenean fold and thrust belt is therefore a potential analogue to fold and thrust belt including shortening due to an oblique convergence.