Les flux d'eau douce, glace de mer et courants océaniques, de l'Océan Arctique vers les mers nordiques jouent un rôle critique sur l'Atlantic Meridional Overturning Circulation et donc sur le système climatique. Les facteurs contrôlant ces flux sont encore partiellement méconnus. Un moyen indirect de retracer l'intensité et les schémas de circulation de la glace de mer est de retracer l'origine des sédiments qu'elle transporte, et qui sédimentent le long des grands courants de glace et d'eau douce vers l'Atlantique Nord. Il s'agit donc de tracer un flux particulaire direct, lié à la matrice des particules détritiques. Un second flux, indirect, provient des éléments dissous dans les masses d'eau, marqués par les processus d'adsorption/désorption le long des marges où les flux particulaires terrigènes sont les plus importants. L'extraction de la phase authigène d'un signal dissous par lessivage spécifique, a permis de documenter l'évolution des masses d'eau transitant par le détroit de Fram. Les données isotopiques de Pb, Nd et Sr nous ont permis d'identifier deux sources principales de sédiments depuis le dernier maximum glaciaire jusqu'au Dryas Récent : les marges canadiennes et russes alors recouvertes par des calottes de glace. Après le Dryas Récent, les sources sédimentaires sont plus diverses avec notamment une contribution des marges groenlandaises et des mers de Chukchi et Est Sibérienne. La fraction authigène montre un changement entre ~ 19.8 et 16.4 ka probablement liée à la déglaciation de la calotte Eurasienne. Plus récemment, les valeurs [Epsilon]Nd suggèrent une influence accrue des eaux Pacifiques sur les masses d'eaux sortantes par le détroit de Fram / Freshwater exports (sea-ice and oceanic currents) from the Arctic Ocean to the nordic seas is a critical component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation and hence of the climatic system. Factors controling those exports are still partially unknown. An indirect way of tracing the intensity and patterns of sea-ice circulation is to trace the origin of the sediments it carries and that settle along the main drift routes towards the North Atlantic. We hence document a direct sedimentary flux that is linked to the detrital particle matrices. Another flux, this one being indirect, comes from the dissolved elements that adsorb onto particles along continental margins where sedimentary fluxes are the highest. We have extracted the authigenic (dissolved) phase from the sediment in order document the evolution of water-masses in Fram Strait since the last glacial maximum. Pb, Nd and Sr isotopic data allowed us to identify two sedimentary sources from the late glacial to the onset of the younger Dryas : canadian and western russian margins, then covered by large ice sheets. After the Younger Dryas however, sedimentary supplies originate from several sources including Greeland, Chukchi Sea and East Siberian Sea margins. The authigenic phase displays a change from 19.8 to 16.4 ka likely linked to the early deglaciation of the Eurasian ice sheet. More recently, [Epsilon]Nd values reflect a more important contribution from the Pacific on water masses exiting through Fram Strait

Ce mémoire présente une vue d'ensemble de mes travaux de recherche, réalisés depuis 1995 en tant que post-doctorant au Centre de Géochimie de la Surface de Strasbourg et depuis 1998 en tant que Maître de Conférences à l'université de Franche-Comté de Besançon. Dans toutes ces études, je me suis intéressé aux échanges et transferts chimiques dans les cycles géochimiques externes, avec comme principaux outils de traçage les terres rares (TR) et les isotopes radiogéniques du Sr et du Nd.<br /> J'ai suivi une formation classique de géologue-sédimentologue, que j'ai complété au cours de ma thèse, par les outils de traçage de la géochimie élémentaire et isotopique. Le début de mes années post-doctorales marque une rupture avec mes thématiques de recherche antérieures : j'ai abandonné les problématiques de reconstitutions paléogéographiques et paléotectoniques, pour me consacrer entièrement aux processus de transferts et d'échanges chimiques dans les couches géologiques superficielles, en contexte naturel ou anthropisé.<br /> Cette réorientation a commencé par l'étude d'un sol contaminé de la région de Bâle (Suisse), suivi par un projet sur les transferts chimiques dans des gisements de sel, dans le cadre d'études de faisabilité sur le stockage de déchets radioactifs dans des dômes de sel en Allemagne. Elle s'est poursuivie par des études de circulations d'eau de mer dans le récif corallien de Tahiti et en contexte hydrothermal de basse température, sur la plaque des Cocos. Après cette incursion dans le milieu marin, je suis revenu, ces dernières années, en milieu continental avec des projets portant sur le transport des TR dans des ruisseaux du Massif Central et sur le transfert des TR à l'interface géosphère-biosphère sur des sites du Jura, des Vosges et du Kaiserstuhl (volcan inactif près de Freiburg, Allemagne). L'ensemble de ces travaux de recherche a été le fruit de nombreuses collaborations.<br /> Malgré la diversité des objets, nous avons souvent rencontré des mécanismes de transferts et d'échanges chimiques très similaires. L'identification de ces mécanismes était basée sur une utilisation combinée des TR, des isotopes et d'autres outils, tels que les éléments majeurs ou les données minéralogiques. Nous avons ainsi constaté que la mobilité des TR et d'autres métaux traces est le plus souvent liée à la présence et à la stabilité de phases accessoires, telles que l'apatite et des oxyhydroxides Fe-Mn. En ce qui concerne le transport en phase liquide, nos résultats suggèrent une influence importante de la fraction colloïdale et de la végétation. Celles-ci se combinent à d'autres paramètres de contrôle plus "classiques" (pH, Eh, complexes solubles, sorption etc.). C'est la raison pour laquelle, nous souhaitons à l'avenir intégrer d'avantage l'étude du rôle de la phase colloïdale et de la végétation à nos projets de recherche.<br /> Les TR représentent aujourd'hui un outil de traçage particulièrement pertinent dont l'analyse s'est simplifiée. Leur dosage peut, dans la plupart des cas, être intégré à une analyse de routine par ICP-MS, sans générer ni sur-coûts ni complément de travail. Il serait aujourd'hui dommage de ne pas intégrer ces dosages de TR aux analyses chimiques par ICP-MS. Toutefois, les spectres des TR doivent parfois être combinés avec des données isotopiques du Sr et du Nd afin d'écarter toute ambiguïté dans leur interprétation.

Ce travail est basé sur l'étude d'un continuum eau de pluie – eau de surface – eau minérale, en utilisant différents outils chimiques et géochimiques. La zone d'étude se situe en bordure Est du Massif Central Français. Elle comprend des entités géographiques et géologiques variées (complexe granito-gneissique et cristallophyllien – Monts du Forez et du Lyonnais d'âge hercynien, graben Oligocène du Forez à venues volcaniques miocènes).<br />La première partie repose sur l'étude en isotopes stables (18O, 2H) des précipitations locales (3 points de mesures ; prélèvements journaliers sur 1 à 3 ans), dont les contenus en tritium permettent de déterminer le bruit de fond atmosphérique actuel. Les mesures 18O, 2H ont permis de construire une droite locale des eaux météoriques et de quantifier les gradients d'appauvrissement des rapports isotopiques en fonction de l'altitude. Ceci permet aussi de déterminer les temps de transit de l'eau dans les aquifères superficiels et de détecter la présence d'eaux récentes dans des eaux plus minéralisées. De plus, une évaluation des quantités d'eau réellement disponibles à l'infiltration (et de leur signature isotopique) a été entreprise en se basant sur différentes méthodes de calcul de l'évapotranspiration.<br />La seconde partie consiste en l'étude de rivières et d'aquifères peu profonds, majoritairement situés en zone d'arène granitique et connaissant des variations de débit marquées. La détermination des contenus en éléments majeurs cations et anions donne des gammes de Solides Totaux Dissous variant de 30 à 500 mg/l pour les sources, de pH acide à neutre et de faciès Na-Ca-Cl-HCO3. Les calculs d'indice de saturation, incluant les phases minérales des sols locaux, montrent une interaction limitée avec les produits d'altération d'une matrice rocheuse granitique. Les rapports isotopiques en carbone 13 indiquent une forte proportion de matière organique dissoute. La détermination des d18O et dD permet d'envisager une recharge préférentielle en hiver ainsi que des gradients d'altitude proches de ceux enregistrés par les pluies. L'utilisation de modèles de transit souterrain de type « dispersion » permet d'estimer des temps de transit moyens de 10 à 15 mois en oxygène et 8 à 13 mois en hydrogène.<br />Enfin, 7 sources minérales, en contexte granitique faillé ou sédimentaire, ont également fait l'objet de prélèvements réguliers. Six d'entre elles sont carbogazeuses, deux ont un caractère thermal. Trois faciès chimiques, marquant une augmentation de la minéralisation, sont représentés : Ca-Mg-HCO3, Na-HCO3-Cl et Na-HCO3. Les indices de saturation indiquent une nouvelle fois une nette interaction avec le socle. Or, les précipitations/dissolutions d'espèces minérales modifient les concentrations en cations. Dès lors, les estimations de température profonde des réservoirs (géothermomètres à cations) donnent une gamme de variation de 150 à 240°C. Les rapports isotopiques en oxygène et hydrogène sont beaucoup plus stables que ceux des eaux de surface, les eaux Na-HCO3 ayant des deltas appauvris par rapport à leurs altitudes d'émergence. La détermination des altitudes des aires de recharge, en utilisant les gradients déterminés sur les pluies, donne des altitudes compatibles avec celles des reliefs locaux. Les signatures en carbone 13 sont influencées par la signature du CO2 profond pour les sources carbogazeuses. Une source thermale (faciès Na-Cl-HCO3) a des valeurs très différentes. Certaines sources du faciès Ca-Mg-HCO3, par leur contenu en tritium, attestent de mélanges avec des eaux de surface, de faible importance cependant (13C, 14C). Pour l'ensemble des sources minérales, les durées maximales de temps de transit obtenues par le carbone 14 sont de l'ordre de 20000 à 25000 ans, alors que cette durée est de 8000 ans pour la source thermale précédemment mentionnée.

Dans le cadre de la recherche de nouvelles sources d'énergie propres et durables, nous étudions les mécanismes de formation du dihydrogène (H2) dans les environnements intra-cratoniques. Des émanations naturelles de H2 ont précédemment été décrites à proximité des dorsales médio-océaniques et des ceintures ophiolitiques. Cette production naturelle de gaz, telle que documentée dans la littérature, est étroitement liée au métasomatisme de roches ultrabasiques d'origine mantellique, riches en minéraux ferromagnésiens, à travers les réactions de serpentinisation. Au Kansas (USA), des émanations de H2 intra-cratonique ont été révélées dès les années 80 par l'étude de puits riches en H2. Nos travaux s'appuient sur un nouveau forage, D#2 (Kansas, USA), ainsi que deux forages existants depuis les années 80, Heins#1 et Scott#1 (Kansas, USA). Le puits D#2 permet d'accéder à un aquifère modérément profond (~300 m) chargé en H2. Le gaz est composé également de N2 et de CH4 tout comme le gaz issu des contextes ophiolitiques. Du He est présent en quantité substantielle -comparé aux contextes précédents- dans ces forages. Afin de comprendre les processus engendrant la production de H2 dans ce contexte géologique, de quantifier le gaz ainsi généré, et de déterminer la relation du H2 avec les autres espèces gazeuses une étude multidisciplinaire gaz/eau/roche a été réalisée. Les résultats obtenus lors de l'étude de ces fluides mis en parallèle avec le contexte géologique régional et les lithologies observées ont permis (1) de proposer différents scénarios pour expliquer les associations de gaz observées et (2) de discuter de l'origine et des processus de production du H2, de l'He, et du N2. / As part of the search for new sources of clean and sustainable energy, the mechanisms for the formation of dihydrogen (H2) in intracratonic environments were studied. Natural emissions of H2 have been described in the vicinity of mid-ocean ridges and ophiolite belts. This natural gas production, as documented in the literature, is closely related to the metasomatism of mantle rocks which are rich in mafic minerals, through the serpentinization reaction. In Kansas (USA), intracratonic H2 seepages were revealed in the 80’s by studies of H2-rich wells. Our work is based on a new borehole D#2 (Kansas, USA), and two boreholes previously studied in the 80s, Heins#1 and Scott#1 (Kansas, USA). The D#2 well provides access to a moderately deep aquifer (~ 300 m) loaded with H2. The gas is also composed of N2 and CH4 similarly to the gases issued from ophiolitic contexts. Helium is present in substantial quantities -compared to preceding contexts- in these boreholes. A multidisciplinary gas/water/rock study was carried out to understand the processes generating the production of H2 in this geological setting, to quantify the gas so generated, and to determine the relationship of H2 with other gaseous species. The results of these studies in parallel with the regional geological setting and observed lithology allowed (1) to propose several scenarios to explain the observed associations of gas and (2) to discuss the origin and production process of H2, He and N2.

Ce manuscrit présente les premiers résultats d'études élémentaires et isotopiques du Zn, du Sr et du Pb, réalisées dans les principaux types d'échantillons liés aux gaz volcaniques (gaz, sublimés, eaux thermales, roches), ainsi que deux nouvelles méthodologies d'échantillonnage des émanations volcaniques. Les variations isotopiques du Zn observées au Merapi suggèrent que les processus de changement de phase (fluides/solides) peuvent provoquer des fractionnements isotopiques significatifs des éléments trace métalliques. L'étude couplée Sr/Pb réalisée à Vulcano indique que les compositions en éléments trace métalliques des fumerolles et des eaux thermales sont influencées par les sources naturelles et anthropiques. Ce travail a aussi permis la mise au point de nouvelles méthodologies d'échantillonnage et d'analyse des gaz et des panaches volcaniques, permettant d'accéder à la composition chimique complète de ces manifestations gazeuses de manière simple et efficace.

Le magmatisme Néogène italien est caractérisé par une grande variété pétrologique et géochimique, couvrant presque entièrement le spectre des roches magmatiques connues dans le monde entier. Le volcanisme récent, Quaternaire, comprenant des laves de composition<br />basiques et intermédiaires, est à la base de la majorité des modèles géodynamiques. Comparativement, le magmatisme acide, correspondant aux premières manifestations sur la marge Tyrrhénienne est beaucoup pour les édifices de la Province Toscane (San Vincenzo, Roccastrada et Amiata). Pour le volcan de Monte Amiata, de nouvelles données isotopiques Sr-Nd et Pb confirment qu'il est en terme de sources un hybride entre les Province Toscane et Romaine. Nous proposons grâce aux âges obtenus un nouveau scénario pour sa mise en place. L'analyse en composantes principales (ACP) des données isotopiques du Pb de toutes les manifestations acides étudiées dans cette thèse a permis d'identifier les deux composants source à l'origine de ces roches. Le composant le plus important est un pôle mantellique<br />correspondant à un mélange entre DM et HIMU, tandis que le second, dont le rôle est mineur comparé au premier, est un pôle enrichi de type crustal. Les roches acides les plus au Sud (Pontines) montrent une influence plus forte du composant DM+HIMU. Ainsi, même sur des<br />roches aussi différenciées et à plus petite échelle (l'Italie centrale), on retrouve la tendance générale propre à l'ensemble de la péninsule Italienne et de la Sicile, dérivée de l'étude isotopique des roches basiques, qui montre un mélange général entre DM et HIMU auquel s'ajoute un composant dérivé de la croûte. L'influence du pôle DM-HIMU est croissante du<br />Nord au Sud de l'Italie. Etendue à l'échelle de la marge Tyrrhénienne italienne, l'ACP permet d'identifier deux<br />domaines sources, délimités par une discontinuité lithosphérique majeure de l'Italie centrale, le 41ème Parallèle, dans lesquels les composants évoluent différemment. Les caractéristiques du domaine Nord pourraient être contrôlées par un processus de délamination de la lithosphère inférieure, celles du domaine Sud par un retrait rapide du slab, les deux<br />phénomènes provoquant une remontée asthénosphérique.