L’objectif de ce mémoire est de quantifier la diagenèse de l’arsenic (As) dans les sédiments, d'utiliser ceux-ci comme archive environnementale et d’identifier les réactions clés de l’As. Huit lacs ont été visités en juin 2018 et mai 2019, le long d’un transect de 80 km au nord-ouest de la mine d’or Giant, à Yellowknife, dans les Territoires du Nord-Ouest, Canada, pour y prélever de l’eau de surface, des carottes de sédiments et de l’eau porale. Ces échantillons ont été analysés afin d’obtenir les concentrations dissoutes et solides de carbone organique, d’As, de fer (Fe), manganèse (Mn) et d'aluminium (Al) et des anions nitrate, sulfate, sulfure et chlorures. Les concentrations d’As dans l’eau porales ont été interprété à l’aide de la modélisation diagenétique inverse et de calculs thermodynamiques. L'historique des flux d’As solide déposés au fond des lacs a été calculé après correction pour l'influence de la diagenèse. Les flux diffusifs d’As à l’interface eau-sédiment en réponse à la contamination causée par l’activité minière ont été calculés pour les deux années d'échantillonnage. Les résultats montrent que la diagenèse est plus importante dans les lacs avec des taux de sédimentation plus faibles. Après correction, les données indiquent que les flux d'As maximaux coïncident avec la période d'activité de la mine. Néanmoins, les lacs près de la mine sont toujours sous l’influence d’apports importants d’As dissous depuis leur bassin versant, et montrent des flux diffusifs élevés d’As vers la colonne d’eau. Les calculs thermodynamiques de spéciation et des indices de saturations suggèrent que la mobilité de l'As est liée à celle des oxydes de fer et au soufre. Le sulfure de fer amorphe se forme dans les sédiments et l’As co-précipite ou s’adsorbe sur cette phase minérale. Enfin, le moment de la fonte du couvert de glace, qui permet l’arrivée de l’oxygène, semble déterminer la mobilité de l’As auprintemps. Dans le contexte où les changements climatiques influencent la durée du couvert de glace, une étude approfondie de l’effet du couvert de glace sur les conditions d’oxydoréduction est souhaitable. / The goal of this thesis is to quantify the diagenesis of arsenic (As) in the sediments, using them as environmental archives and identify the key reactions of As. Eight lakes have been visited in June 2018 and May 2019, along an 80 km transect northwest from the gold mine Giant, near Yellowknife in the Northwest Territories, Canada to collect surface water, sediment cores and porewater. These samples have been analyzed to obtain the dissolved and solid concentration of organic carbon, As, iron (Fe), manganese (Mn) and aluminium (Al) and anions (nitrate, sulfate, sulfide and chloride). As concentrations in porewater were interpreted using inverse diagenetic modeling and thermodynamics calculations. The history of the fluxes of solid As deposited at the bottom of the lakes was calculated after correction for the influence of diagenesis. Diffusive fluxes of As at the sediment-water interface in response to contamination from mining activity were calculated for the two years of sampling. The results show that diagenesis is greater in lakes with lower sedimentation rates. After correction, the data indicates that the maximum As fluxes coincide with the period of mine activity. Nonetheless, lakes near the mine are still influenced by large inputs of dissolved As from their watersheds, and show high diffusive fluxes of As to the water column. Thermodynamic calculations of speciation and saturation index suggest that the mobility of Asis related to that of iron oxides and sulfur. Amorphous iron sulfide forms in the sediment and As coprecipitates or adsorbs to this mineral phase. Finally, the timing of the melting of the ice cover, which allows the arrival of oxygen, seems to determine the mobility of As in the spring. In the context of climate change shortening the duration of ice cover, an in-depth study of the effect of ice cover on redox conditions is desirable.

Isolement et caracterisation d'un materiau organique actuel d'origine algaire et resultats d'experiences de fixation "in vitro" de diverses especes metalliques cationiques et anioniques sur ce materiau. resultats d'experiences de maturation thermique conduites sous atmosphere inerte, des divers composes organo-metalliques formes par reaction entre la matiere organique et les especes metalliques cationiques

Une analyse expérimentale approfondie avec une approche micro macro a été réalisée sur un matériaucomposé d'un mélange d'argile Kaolinite/Smectite. L'étude a permis de montrer à l'échelle macroscopiquecomme à l'échelle microscopique un comportement particulièrement sensible à la proportion de smectitedans le mélange. La kaolinite (Kaolinite P300) est bien connue du point de vu de sa caractérisation et deson comportement, la smectite (également nommée argile grecque) est de type calcique et a égalementfait l'objet de plusieurs études.Dès 35% de smectite dans le mélange, les résultats sur chemin triaxial montrent que le comportementapproche considérablement celui de la smectite. Par ailleurs, l'investigation à l'échelle microscopique (aumoyen de Microscope Electronique à Balayage complétée par une analyse de diffractions des rayons X)réalisé sur les échantillons après l'essai, met en évidence le fait que, lorsqu'elle dépasse un certain seuil, lafraction en smectite favorise le développement de plans de glissement. Ces plans apparaissent clairementsous forme de groupes de particules de smectite orientées.L'analyse microstructurale utilisée est basée sur une méthode rigoureuse, développée dans le cadre decette thèse, avec un traitement d'images automatisé permettant de fournir des résultats quantitatifs.Cette démarche d'investigation multi‐échelles a été employée afin caractériser le comportement d'unsédiment marin prélevé au large de Golfe de Guinée par 700 m de profondeur d'eau. L'étude, initialementmenée dans le cadre du projet CLAROM (2002‐2005), intéresse l'industrie Offshore. Le sédiment naturelcontient jusqu'à 60% de proportion argileuse avec approximativement 15% de smectite et 50% dekaolinite.

La couverture pédologique est la source d'émission d'un ensemble de substances (minérales et organiques)organiques) transférées par les flux hydriques sous forme dissoute et/ou particulaire dans les bassins versants. La quantité et la qualité des composés exportés ainsi varient selon le type, le mode d'usage et la position des sols dont ils sont issus. Or, à l'exutoire des bassins versants, on ignore, dans la plupart des cas, les compartiments de la couverture pédologique desquels proviennent ces produits. Une stratégie d'étude, particulièrement développée lors de la dernière décade, consiste à rechercher des empreintes de sols (" soil fingerprint ") dans les produits exportés dans un bassin versant. Une empreinte de sol pouvant être définie comme toutes propriétés ou constituants susceptibles de révéler l'origine pédologique de la charge dissoute ou particulaire. L'utilisation de ces " empreintes pédologiques " doit permettre le repérage, à l'échelle des bassins versants, des sols qui contribuent aux flux de matières exportées (zones sources contributives), véritable " point chaud " de la couverture pédologique. Le rôle de certains modes d'occupation des sols dans l'émission de substances particulaires et solubles pourrait ainsi être précisé. Ce repérage des zones et des sols actifs a un intérêt évident pour les problématiques de gestion des transferts de polluants, en particulier dans le cadre de pollutions diffuses. De plus, dans un certain nombre de contextes, les matériaux issus des sols sont piégés dans des archives naturelles (sédiments lacustres, spéléothems, sols colluviaux...). L'identification de l'origine pédologique précise de ces produits dans les archives doit alors permettre de reconstituer l'histoire des sols des bassins versants. Or, si de considérables progrès ont été faits ces dernières décennies sur la compréhension de l'évolution du climat et de la couverture végétale au cours de l'holocène, force est de constater que l'histoire des sols reste largement méconnue. Cette méconnaissance de la manière dont les sols ont réagi, dans le passé, à des modifications des facteurs externes (climat, végétation, usage..) constitue un handicap pour prévoir la réaction de la couverture pédologique aux changements actuels. Pour pouvoir être utilisé comme un traceur pédologique, une " empreinte de sols " doit posséder un certain nombre de propriétés spécifiques. Ces dernières doivent ainsi être : - discriminantes des principaux types de sols, d'horizons ou d'usages des sols, - stables au cours du transfert dans les sols et dans le réseau hydrographique - reconnaissables dans un mélange de sources diverses - conservatives et lisibles dans les eaux et dans des archives environnementales stratigraphiquement organisées et datables (stalagmites, sédiments lacustres, colluvions). A partir de cet ensemble de conditions, deux types d'empreintes peuvent être cherchées : - des constituants (organiques et/ou minéraux) qui répondent aux exigences précédentes. On est alors naturellement conduit à éliminer les constituants ubiquistes majoritaires (argiles, minéraux primaires, substances humiques..) qui ne sont pas suffisamment discriminants et à privilégier des constituants secondaires éventuellement mineurs mais discriminants et stables. On a alors des " pédotraceurs ". Dans le cadre de nos travaux, deux approches ont été développées pour les pédotraceurs organiques : un suivi des radicaux libres (semi-quinones) par Résonance Paramagnétique Electronique (dans les phases particulaires et solubles), un suivi de molécules cibles (HAP...). Pour la phase minérale, nos travaux nous ont conduits à tester l'utilisation du groupe des terres rares (Rare Earth Element : REE), les formes du fer et de l'aluminium et la spéciation du P particulaire. - des " propriétés " caractéristiques pouvant être utilisées comme des signatures. Il s'agit alors de repérer une signature (par exemple spectroscopique) globale et de l'utiliser comme une empreinte sans en chercher la signification directe. Dans ce cadre il importe absolument de vérifier si les critères précédemment décrits sont respectés. On a alors des " pédosignatures ". Nous avons cherché à utiliser en ce sens, le spectre de reflectance diffuse moyen infra-rouge (DRIFT). En effet, l'absorbance dans l'IR est reliée à la présence de groupements fonctionnels organiques et minéraux dont les natures et les rapports d'intensité relative peuvent être considérés comme des empreintes. Cette signature présente donc l'avantage d'être globale et simple à repérer. Pour la phase organique proprement dite nous avons testé l'utilisation de la fluorescence 3D comme signature des matières organiques solubles exportées des sols. Dans le cadre des opérations de recherches menées depuis une dizaine d'années, l'utilisation de ces empreintes pédologiques a permis : - d'établir des bilans de l'origine (surface de sols pâturés versus sols de berges ; sols se développant sur différents types de sols, roches) des matières en suspension dans des BV à l'échelle annuelle (BV rural de l'Albenche, Savoie ; BV de Cointzio, Mexique) et à l'échelle de crues (BV de la Galabre, Alpes du Sud) - de préciser l'origine et les modes de transfert de matières organiques dissoutes dans des eaux superficielles (BV du Mercube, Haute-Savoie) et dans les eaux d'infiltration des systèmes karstiques (Plateau du Revard, Savoie). - d'étudier des traits pédologiques anciens, archivés dans des sédiments lacustres, des spéléothems et/ou des sols colluviaux. Nos travaux nous ont ainsi conduits à constituer des modèles d'évolution des sols à partir d'enregistrements sédimentaires (Lac du thyl et du Lou, Savoie ; Lac d'Anterne, Haute-Savoie). Ils nous ont permis de définir, pour les sols de l'étage sub-alpin des Alpes du Nord, un Optimum Pédologique Holocène (globalement entre 8000 et 5000 ans BP) brutalement interrompu par une " crise pédologique d'anthropisation " avec une phase érosive majeure et un retour à des états peu évolués de la couverture pédologique. Reprenant le concept de " bio-rhexistasie " d'Erhart (1956), nous proposons d'appeler " anthropostasie " cette nouvelle phase de l'histoire des sols, correspondant à une crise érosive directement sous la dépendance des activités humaines.

Les travaux menés durant cette thèse ont visé à évaluer la pertinence de la plante aquatique Myriophyllum aquaticum pour l'étude de la biodisponibilité du cuivre dans des sédiments ainsi que l'intérêt de la technique du gradient de diffusion en couche mince (DGT) comme outil biomimétique de cette plante. Une première expérimentation réalisée avec la plante M.aquaticum exposée selon le protocole du biotest normalisé (sous forme de verticilles) dans des sédiments artificiels dopés en cuivre a montré que ce biotest semble être un outil intéressant pour l'évaluation de la toxicité de sédiments contaminés en cuivre. En outre, aucune corrélation n'a été observée entre les mesures DGT et la bioaccumulation dans la plante M.aquaticum. Ceci est probablement lié aux conditions d'exposition des plantes. En effet, le développement des racines se faisant au cours de l'expérimentation, les processus d'incorporation du métal dans la plante ne sont donc pas constants au cours de l'expérience. Suite à ces résultats nous avons réalisé deux autres séries d'expérimentations (hydroponie et Rhizotest) dans lesquelles, les plantes ont été exposées selon un protocole modifié (plantes ayant déjà développé des racines avant leur exposition dans le sédiment). Ces expérimentations nous ont permis de montrer que la plante M.aquaticum est plutôt sensible au cuivre et qu'elle a une forte capacité à l'accumuler. De plus, les résultats obtenus ont permis de montrer que la technique DGT semble être un bon outil biomimétique de cette plante dans le cas où elle est exposée avec des racines car le prélèvement par la plante est limité par la capacité de la phase solide à réapprovisionner le métal en solution. / The work carried out during this thesis aimed to assess the relevance of the aquatic plant Myriophyllum aquaticum to study the bioavailability of copper in sediments as well as the interest of the technique of diffusion gradient in thin film (DGT) as a biomimetic tool of this plant. A first experiment, performed with the plant M.aquaticum exposed according to the protocol of the standardized bioassay (as whorls) in an artificial sediment spiked with copper, showed that this bioassay appears to be a useful tool for assessing the toxicity of contaminated sediments copper. Furthermore, no correlation was observed between DGT measurements and bioaccumulation in the M.aquaticum plant. This is probably due to the exposure conditions of the plants. In fact, as the root development occurs during the experiment, the process of incorporating the metal into the plant is therefore not constant throughout the experiment.Following these results we conducted two other series of experiments (hydropony and Rhizotest) in which, plants were exposed following a modified protocol (plants having already developed roots before their exposure in the sediment). These experiments showed that the plant M.aquaticum is rather sensitive to copper and has a strong ability to accumulate it. Futhermore, the results have shown that the DGT technique seems to be a good biomimetic tool for this plant when it is exposed by roots because the plant uptake is limited by the capacity of the solid phase to replenish the metal in solution.

L’érosion des sols est intense dans les petits bassins versants montagneux en climat tropical. Lorsqu’ils atteignent les rivières, ces sédiments posent divers problèmes à l’aval. L’identification des sources de sédiments et la compréhension de leur dynamique au sein des bassins versants est donc cruciale pour proposer des mesures de lutte efficaces contre ces problèmes. Cette thèse vise à tester et à développer des méthodes de traçage qui consistent à comparer les propriétés physico-chimiques des sols à celles des sédiments transportés dans les rivières pour en définir les sources et pour en contraindre les temps de transfert. Le site d’étude est un bassin de 22,4 km² au Laos équipé d’un emboîtement de stations de suivi et soumis à un régime de mousson. Trois campagnes de prélèvements ont permis de collecter des échantillons de sols de surface, de ravines et de berges ainsi que des eaux de pluies, de ruissellement et de rivières, les matières en suspension (MES) associées et des laisses, au cours de 3 crues de début de mousson en mai 2012 et juin 2013. Les échantillons ont été analysés afin de déterminer leurs activités en radionucléides apportés au sol par les pluies de manière ponctuelle (¹³⁷Cs) ou continue (⁷Be, ²¹ºPb), la teneur et la composition de la matière organique (C organique, N, C/N, δ¹³C et δ¹⁵N), la granulométrie des MES et la composition de l’eau (conductivité électrique, δ¹⁸O). Plusieurs expériences méthodologiques ont permis de tester et valider les hypothèses qui sous-tendent l’utilisation du marquage en ⁷Be et en excès de ²¹ºPb des sédiments (adsorption rapide sur les particules de sol, rapport ⁷Be / ²¹ºPbxs des particules transportées par le ruissellement comparable à celui de la pluie correspondante). Durant la crue de mai 2012, la contribution des sédiments récemment érodés est élevée en début d’événement (25-35%), mais elle est ensuite diluée par la remobilisation de particules déposées sur le lit du cours d’eau ou stockées dans les zones de dépôt. La caractérisation combinée du carbone organique particulaire (COP) et de l’activité en ¹³⁷Cs des particules a mis en évidence la prédominance de l’érosion des sols de surface marqués par leur signature C₃ à l’amont, et l’augmentation de la contribution de l’érosion des berges (marquage C₄) dans la partie aval du bassin. Les valeurs les plus élevées des taux d’exportation de sédiments (43,3 Mg km-2) et de C (0,83 MgC km-2), du coefficient de ruissellement (11,7%) et du pourcentage d’eau de ruissellement dans l’écoulement total (78-100%) ont été observées au niveau de la station drainant en grande partie des versants sous teck. Les teneurs en C mesurées et les flux de COP calculés ici sont beaucoup plus élevés que ceux qui ont été estimés lors de travaux réalisés il y a 10 ans dans le même bassin versant, lorsque la surface couverte de teck y était beaucoup plus faible (2,5% en 2002-2003 contre 32% en 2012). Ainsi, à l’aval, le taux d’exportation spécifique de C lors d’une seule crue en 2012 s’est révélé être 2,6 fois plus important que celui observé au cours de l’année hydrologique 2002-2003 (34 crues érosives). Lors des deux crues de juin 2013, la variabilité spatio-temporelle des retombées de ⁷Be et ²¹ºPb a pu être quantifiée. Ces résultats indiquent qu’il est indispensable de mesurer le signal d’entrée du marquage ⁷Be /²¹ºPb de chaque événement et qu’il est préférable de réaliser un échantillonnage en plusieurs points du bassin plutôt que de le fractionner en un seul point au cours du temps. Durant ces crues, la composition des sédiments a pu être étudiée le long d’un continuum de dix stations emboitées (0,1 ha à 19,8 km²). Les contributions respectives des différentes sources de sédiments, et leur propagation à travers le bassin, ont pu être déterminées à l’aide des mêmes traceurs que lors de la crue de mai 2012. À l’avenir, la combinaison de traceurs proposée dans cette thèse pourrait être appliquée à d’autres évènements ou d’autres sites. / Soil erosion is particularly intense in small mountainous tropical catchments. When supplied to the rivers, eroded sediment leads to numerous problems downstream (transfer of pollutants, increase of water turbidity, dam siltation…). Identifying sediment sources and understanding their dynamics across catchments constitutes a prerequisite to design and implement efficient measures to reduce these problems. This thesis aimed at testing and developing fingerprinting methods, by comparing physico-chemical properties of soils and riverine suspended sediment to define their origin and constrain their transfer across catchments. The study site is a 22.4 km² catchment in northern Laos equipped with nested monitoring stations and submitted to monsoon rainfalls. Three field campaigns were conducted to collect samples of surface soils, gullies, riverbanks, and rainwater, overland flow, river water, suspended matter and deposited sediment during three floods at the beginning of the monsoon in May 2012 and June 2013. Collected samples were analysed to determine fallout radionuclide activities (¹³⁷Cs, ⁷Be and ²¹ºPb), organic matter composition (organic carbon and nitrogen concentrations, C/N ratio, δ¹³C et δ¹⁵N), particle size distribution and water composition (electric conductivity and δ¹⁸O). Several methodological experiments were performed to check assumptions underlying the use of atmospheric 7Be and ²¹ºPb as tracers of sediment (quick adsorption of rainwater radionuclides to soil particles; similarity between /210Pbxs activity ratio measured in overland flow particles and corresponding rainfall signature). During the flood studied in May 2012, the contribution of recently eroded sediment was high at the beginning of the rising stage (25-35%), but was then diluted by sediment remobilization from the riverbed and deposition areas (swamps). The combined determination of particulate organic carbon (POC) and ¹³⁷Cs activity of sediment indicated the dominance of surface soil ( C₃ vegetation labelling) erosion in upstream parts and the increase of riverbank (labelled by C₄ plants) erosion contribution in the downstream part of the catchment. The highest runoff coefficient (11.7%), sediment specific yield (43.3 Mg km-2), total organic carbon specific yield (0.83 MgC km-2) and overland flow contribution (78–100%) were found at the station draining mainly the areas covered with teak plantations. Total organic carbon concentrations and POC specific yields calculated during this thesis are much higher than those obtained during a previous study carried out 10 years earlier in the same catchment, when teak plantations covered a much lower proportion of its area (2.5% in 2002-2003 vs 32% in 2012). At the downstream station, carbon specific yields for the studied flood in 2012 were twice higher than the annual ones observed in 2002-2003 (34 erosive events). During the two floods analysed in June 2013, the spatial and temporal variability of ⁷Be and ²¹ºPb wet deposition was investigated and quantified. The results indicate that the input signal of ⁷Be/²¹ºPb labelling associated with each storm should be determined and that spatially distributed collection of rainfall should be privileged to the sequential time-fractionated sampling at a single location. During these floods, the composition of exported suspended sediment could be studied along a continuum of ten nested stations draining areas between 0.1 ha and 19.8 km². Respective contributions of the different surface and subsurface sources of sediment and their propagation across the catchment, were successfully determined with the same tracers as during the May 2012 event. In future, the panel of parameters used in this thesis could be applied to characterise suspended matter behaviour during floods occurring later in the rainy season, or along a longer continuum of nested monitoring stations.

Initialement émis lors des essais nucléaires atmosphériques, le tritium (3H) est l’un des principaux radionucléides rejetés par les installations nucléaires. Il est présent dans toutes les composantes environnementales sous différentes formes, libres (HT, HTO, CH3T) ou liée à la matière organique (TOL). Le tritium suit les mêmes dynamiques d’incorporation et de dégradation dans les organismes que l’hydrogène et se met rapidement à l’équilibre avec le milieu ambiant. Des études ont montré un déséquilibre TOL/HTO dans différents compartiments et matrices environnementales. Ce travail vise à expliquer la variabilité des concentrations en 3H et l’origine des déséquilibres observés en se basant sur l’hypothèse de la rémanence. Une approche multi-échelles axée sur le rôle du transfert différé de la matière organique entre les compartiments environnementaux a été menée. Les résultats acquis ont permis d’établir des gammes de concentrations en HTO dans des cours d’eau non influencés par des rejets tritiés et d’identifier les principaux paramètres liés à la variabilité observée. Les résultats ont aussi permis de comprendre l’origine du TOL à partir d’analyses statistiques, qui tendent à confirmer que des zones de rémanence en TOL issus des essais nucléaires, peuvent conduire à des déséquilibres significatifs entre formes libre et liée. De plus, l’étude d’une archive sédimentaire a montré l’existence d’un pic de concentrations en TOL en profondeur, provenant vraisemblablement des retombées de ces essais. Enfin, l’instrumentation d’un site atelier, à proximité d’installations nucléaires, a permis de confirmer l’existence d’un marquage de la matière organique et la rémanence du TOL. / Initially emitted in the environment by atmospheric nuclear weapons tests, tritium (3H) is one of the main radionuclide released by nuclear facilities. It is present in all environmental media in several different forms, bound to organic matter (OBT) or in free forms (HT, HTO, CH3T). Furthermore, 3H follows the same dynamics of incorporation and degradation in living organisms as the hydrogen and is quickly balanced with the surrounding environment. Numerous studies have shown disequilibrium of OBT/HTO in different environmental compartments and matrices. This research work aims to explain the variability of 3H concentrations and the origin of disequilibrium of OBT/HTO based on the persistence hypothesis. In this study, a multi-scale approach was used, focusing on the role of delayed transfer of organic matter between natural compartments. The main results have established the ranges of HTO concentrations in several rivers that are not influenced by atmospheric releases from nuclear facilities, and also identified key environmental parameters linked to the observed variability. The results also made it possible to understand the origin of OBT using statistical analyses. The results tend to confirm that atmospheric nuclear tests led to areas of persistence of OBT, and can lead to significant disequilibrium between bound and free forms. Moreover, the study of a sediment core has shown a peak of OBT at depth, in all likelihood from the global fallout associated with atmospheric nuclear weapons tests. Also, a study site impacted by industrial releases of tritium for the last fifty years has confirmed the persistence of OBT in organic matter, especially in abiotic matrices.

Cette étude correspond à une approche multiscalaire de la variabilité spatiale des contaminations métalliques enregistrées dans les sédiments du bassin de la Loire. Ce manuscrit est organisé en trois parties exposant la démarche et les résultats de ces travaux. La première partie permet de formuler les problématiques de l’étude en proposant une synthèse des connaissances concernant l’archivage des contaminations sédimentaires dans les environnements fluviatiles. La seconde partie s’intéresse à l’influence des environnements de dépôts sur l’archivage des sédiments et contaminants associés. Les objectifs de ces recherches sont d’étudier la représentativité des signaux géochimiques enregistrés dans les compartiments de stockage sédimentaire. La troisième partie permet de mettre en évidence la variabilité spatiale et l’origine des contaminations sédimentaires à l’échelle du bassin versant de la Loire. / This multi-scale focuses on the spatial and temporal variability of the metallic contamination in sediments of the Loire basin. This manuscript presents methods and results in three sections. The first section deals with scientific issues concerning the recording of sedimentary contaminations in fluvial environments. The second section shows the influence of depositional environments on sediments and associated contaminants archiving. The aim of this study is to analyse the representation of geochemical signals recorded in sedimentary infills. The third section highlights spatial variabilities of recorded sedimentary contaminations at the entire Loire basin-scale. Historical sources are here characterized.

La forme des grains est reconnue comme influençant leur comportement hydraulique mais n’est pas utilisée dans les modèles de transport par charriage pour deux raisons: les mécanismes de mise en mouvement des sédiments selon leur forme sont mal connus et la difficulté à définir cette forme selon des paramètres communs. De nombreux instruments ont été déployés in-situ, en amont de cette thèse, au large des côtes de Manche Orientale en Mars 2011. Une analyse détaillée des données collectées est effectuée afin de suivre l’évolution des quantités de matériaux charriées au cours d’un cycle tidal sur les zones ateliers explorées. Ces mesures in-situ sont ensuite confrontées aux formulations existantes selon deux approches : mono-fractionnée, utilisant le diamètre médian du mélange, et multi-fractionnées, impliquant une discrétisation de la courbe granulométrique. La nécessité d’osciller entre ces deux méthodes selon l’étendue granulométrique du site est mise en évidence. Des photographies des grains du disponible sédimentaire puis charriés in-situ mettent en avant un transport préférentiel sur le fond des particules les plus circulaires. Une nouvelle formule est développée prenant en compte l’hétérogénéité en taille et en circularité des sédiments pour l’estimation du transport charrié sous l’action d’un courant seul. La modification proposée améliore significativement les prédictions des modèles, en particulier pour les fractions grossières. Des tests préliminaires en canal à courant sont également effectués pour valider un nouveau montage et protocole expérimental dans le but de confronter les résultats in-situ et expérimentaux. / Particle shape is recognized to influence the hydraulic behavior of grains but is not used in current bedload transport models for two reasons: the mechanisms of initiation of motion of sediments according to their shape are not well understood and the difficulties to define particle shape with common parameters. Several instruments were deployed in-situ, before this study, in the Eastern English Channel in March 2011. A detailed analysis of the data collected is carried out to monitor the quantities of bedload transported materials along a tidal cycle in the three study areas explored. These in-situ measurements are then compared to existing formulations using two approaches: a single fraction approach, using the median diameter of the sediment mixture, and a multiple fraction approach, involving a discretization of the granulometric curve. The need to oscillate between these two methods according to the granulometric extent of the site studied is highlighted. Photographs of grains of the sediment cover and transported in-situ by bed load highlight a preferential transport of the most circular particles of the seabed. A new formula is developed, which takes into account the heterogeneity of particles in size and in circularity, to estimate bedload sediment transport under the action of a single current. The proposed adjustment significantly improves model predictions, especially for coarse fractions of sediments. Preliminary tests in a current channel are also performed to validate a new experimental set-up and protocol in order to compare in-situ and experimental results.

Dans des contextes semi-arides et fortement anthropisés la caractérisation et la quantification des transferts de polluants dans les eaux de surface et vers la mer est importante à appréhender pour aider à une meilleure gestion de la ressource en eau dans un contexte de changements environnementaux. Sur le Nord-africain notamment la difficulté d’obtenir des données en quantité et qualité suffisante est difficile. La présente étude s’intéresse aux mécanismes de transfert des nitrates et des sédiments à l’échelle du bassin versant de la Tafna (7200 km2) et des plus grands fleuves de l'Afrique du Nord par une approche couplant les mesures in situ et le modèle SWAT (Soil and Water Assessment Tool). La partie in situ a permis de quantifier la quantité de nitrates apportée par les différents exutoires des sous bassins de la Tafna. Elle a aussi mis en évidence la contribution du bassin versant à l’eutrophisation de la Méditerranée tout en mesurant les quantités de nitrates acheminées vers les eaux marines. Les résultats ont mis en évidence les facteurs qui influent sur les flux et les concentrations en nitrates et notamment l’occupation du sol et les barrages ont une grande influence sur les flux de nitrates dans la Tafna. Les stations d’étude ont été classées selon un gradient d’eutrophisation, les stations amont présentant de fortes concentrations en nitrates, elles s’opposent aux stations avals. Les résultats de simulation sur la période 2003 à 2011 ont montré qu’une grande partie de l'eau de surface de la Tafna provient du ruissellement de surface (59%) et du flux latéral (40%), alors que la contribution des eaux souterraines est insignifiante (1%). La Tafna transfère une quantité annuelle moyenne de 2942 t.an-1 de sédiment vers la mer entre 2003 et 2011. SWAT a montré aussi que les cinq barrages de la Tafna stockent une grande quantité de sédiments, plus de 27 000 t.an-1 (90% des sédiments transportés par la Tafna). Le modèle reproduit aussi le flux de nitrates dans les stations de mesure entre 2003 et 2011. La Tafna transporte une quantité moyenne annuelle de 37 à 86 tN.an-1 jusqu'à la Méditerranée. Sur la base de ces résultats, l’approche de modélisation a pemis d’effectuer un changement d’échelle vers les grands bassins du nord-africain. La simulation a montré que les barrages de la Tafna stockent une quantité importante de nitrates [80 à 486 tN.an- 1], qui représente en moyenne 62% de la quantité totale de nitrates transportée annuellement par le fleuve. L’application du modèle sur les plus grands fleuves d'Afrique du Nord, Moulouya (55 860 km2), Tafna (7 200 km2), Chélif (44 694 km2) Oued el Kbir-Rhumel (8824 km2) et Medjerda (23 213 km2) a permis de représenter les flux d'eau, de sédiments et de nitrate. Les fleuves de cette région transportent une quantité de sédiments de 706 .103tan-1 vers la Mer ou le fleuve Oued Kbir-Rhumel qui contribue à la plus grande quantité (55%).Le flux de nitrates transportés vers la mer est de 5330 tN.an-1, le fleuve Moulouya qui contribue à la plus grande quantité (32%). Les barrages de cette région stockent une grande quantité de sédiments (98%) et de nitrates (39%) transportés par les fleuves vers la Méditerranée.