The characterization of natural climate variability is important in order to understand the climate response to natural forcings and to identify anthropogenic influences. The aim of this thesis is to reconstruct climate changes in the southwest of France, a region which is characterised by recurrent drought periods, where high resolution proxy records of the last millennia were lacking.The reconstruction is based on multiple proxies from two continental archives: speleothems and tree rings. Their combination can make use of the strengths of each archive while compensating their weaknesses. There are two principal objectives: first, to gain a better understanding of the climatic and non-climatic influences on each proxy; and second, to reconstruct drought periods in the past.The oxygen isotopic composition (δ18O) of speleothem fluid inclusions and tree ring cellulose is controlled to a large extent by the δ18O of precipitation, which can serve as a tracer of the atmospheric circulation. In order to interpret these proxies in terms of climate, it is necessary to understand how the climate signal becomes recorded in the proxy, and which processes modify the original signal during the formation of the archive.Measurements of δ18O in precipitation, cave drip water, and fluid inclusions in modern speleothem samples from Villars Cave demonstrated that the isotopic composition of cave drip water corresponds to the pluri-annual average precipitation. The speleothem fluid inclusions, in turn, preserve the isotopic composition of the drip water. Based on this calibration, it is possible to reconstruct drip water isotope variability using fluid inclusions in a more than 2000 year old stalagmite, which has been dated by laminae counting, as well as U-Th and 14C measurements. Changes in the cave environment, e.g. the vegetation cover, are indicated by other proxies from the same stalagmite (stable isotopes in calcite and trace element concentrations), but these changes do not seem to impact the fluid inclusion δ18O significantly.The isotopic composition of tree ring cellulose from Quercus spp. in the study area is strongly influenced by climate conditions during the summer. However, non-climatic influences on the isotopic composition of cellulose are identified. They are linked to the age of the trees and to site hydrology, and must be accounted for in the sampling and analytical procedures. Crossdated cores from living trees and timber wood in historic buildings near Angoulême are used to build an annually resolved chronology of cellulose δ18O. Significant correlations with meteorological data enable a calibration and a reconstruction of drought periods since 1360 AD.Lastly, this thesis explores a novel approach of integrating oxygen isotope records from speleothem fluid inclusions and tree ring cellulose from closely located sites to reconstruct both high- and low-frequency variability of droughts in the past.

A case study is considered in which data produced by different techniques have been gathered in various locations within a rock mass in which topography effects are most likely significant. Measurements were performed for the design of a re-powering scheme that includes a new hydraulic conduit and an underground cavern that will primarily be excavated in granite. An integrated approach for extrapolating the results from the various in situ tests to the rock mass volume of interest for the hydroelectric power scheme is presented. This approach includes the development of an equivalent continuum mechanics model. The integration of in situ tests and numerical modelling enables to determine the stress spatial variation which helps ascertain the loading mechanism at the origin of the measured stress field as well as the long-term rheological behavior of the equivalent geomaterial under consideration.

Cette thèse s'intéresse aux liens entre l'évolution du contenu en eau de l'atmosphère et la formation des précipitations. L'objectif général des travaux qui y sont présentés est d'améliorer la compréhension des mécanismes de formation des précipitations en se basant sur des mesures de vapeur d'eau effectuées principalement par GPS. Une étude statistique originale effectuée à partir de 5 années de mesures (GPS, pluviomètre et capteurs météorologiques au sol, situés sur le campus des Cézeaux, Clermont-Ferrand) a permis de mettre en évidence qu'en moyenne l'augmentation du contenu intégré en vapeur d'eau (IWV) est un précurseur de la formation des pluies, et que les variations de l'humidité dans la colonne atmosphérique toute entière sont pour l'essentiel découplées de celles observées à la surface. En effet, contrairement à l'humidité au sol, l'IWV atteint son maximum en moyenne 20 minutes avant le pic de précipitations. Cela semble indiquer que lorsque les précipitations commencent la condensation devient prépondérante à l'échelle de la colonne atmosphérique toute entière tandis qu'au niveau du sol il y a une forte évaporation. L'étude détaillée des précipitations convectives qui se sont produites sous le vent des Vosges le 18 Juillet 2007 (période d'observation intensive 9a de la campagne Convective and Orographically- induced Precipitation Study - COPS), a permis de mettre en évidence l'apport essentiel du GPS pour l'étude des précipitations convectives dans une région de moyenne montagne. En effet, grâce à une utilisation combinée de mesures radar à haute résolution, d'analyses de surface et de stations GPS (permettant d'observer des structures du champ de vapeur d'eau à petite échelle et haute résolution temporelle, à 2D et 3D), nous avons montré que l'accumulation d'humidité précédait de plusieurs heures l'initiation de la convection et que le déclenchement convectif est favorisé par la convergence du flux d'humidité. Cette dernière est associée à une convergence du vent dans les basses couches, ce qui entraîne un important transport vertical de la vapeur d'eau, observé grâce à la tomographie GPS. La direction du vent en amont du relief s'est révélée contrôler pour beaucoup la localisation des zones de convergence. Le forçage local dû à l'orographie à petite échelle (< 5km) a également été mis en évidence, en complétant les observations par des résultats de simulations numériques à haute résolution.

Cette thèse apporte une meilleure compréhension des interactions océan-atmosphère au sein d'évènements extrêmes que sont les cyclones tropicaux. L'étude de la réponse océanique aux cyclones et de sa rétroaction a permis de souligner l'importance de la dynamique océanique et atmosphérique et tend à contredire les estimations extrêmes faites précédemment à partir de modèles théoriques simplifiés. L'impact des cyclones sur le climat est probablement surestimé dans les études qui négligent les processus d'advection et la ré-émergence d'anomalies océaniques en surface durant l'hiver. La rétroaction négative du refroidissement de surface induit par les cyclones est également surestimée dans les études théoriques en raison des fortes hypothèses faites sur les échelles de temps impliquées dans le processus d'intensification des cyclones. De même, la structure océanique à grande et moyenne échelle est souvent négligée (par exemple dans les indices de cyclogenèse), alors qu'elle module fortement les mécanismes de couplage. Enfin, l'utilisation de modèles à méso-échelle et de simulations à long terme produisant un grand nombre d'événements est essentielle afin de séparer un mécanisme robuste d'effets anecdotiques.

L'activité érosive des badlands marneux des Alpes du Sud présente des conséquences négatives pour l'homme qui a ainsi cherché à restaurer ces terrains dès le XIXème siècle. Depuis une dizaine d'années, une stratégie d'ingénierie écologique y est développée et se concentre sur les lits de ravines, pierres angulaires de leur restauration. La question appliquée à la base de ce travail de thèse est d'identifier comment l'implantation d'ouvrages de génie écologique dans lelit de ravines marneuses érodées favorise leur restauration écologique sur le long terme.L'objectif de recherche associé à cette question est de mieux comprendre comment des communautés végétales interagissent avec la restauration des sols de lits de ravines érodées sur le long terme. Nous avons fait l'hypothèse que les traits végétaux des plantes à l'échelle de communautés constituent un point d'entrée pertinent pour étudier ces interactions. Dans la première partie, nous avons utilisé les traits comme un outil de compréhension de l'effet mécanique des plantes sur les dynamiques géomorphologiques des lits de ravines en cours de restauration. Nous avons notamment montré que les traits permettent d'expliquer la capacité de communautés végétales implantées à favoriser la formation d'amas sédimentaires dans le lit des ravines durant la première décennie post-travaux. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l'évolution potentielle sur le long terme (centaine d'années) des propriétés de ces amas, constituant des sols en devenir. Nous avons montré que la diversité ainsi que les valeurs dominantes des traits végétaux influencent les propriétés de ces sols, notamment la stabilité des agrégats et la fertilité des sols. En plus d'être un outil de compréhension, nous montrons que cette utilisation des traits constitue un outil pour guider les actions de restauration de badlands via l'implantation d'ouvrages de génie écologique, en apportant des éléments sur le devenir géomorphologique et écologique post-travaux des systèmes sol-plante de lits de ravines.

A la base du complexe filonien, les fluides réagissent avec le diabase à 400°C et 400 bars pour former des épidosites (roches riches en épidote et quartz). Ces épidosites seraient liées aux dépôts des VMS. Les relations entre la mise en place des dykes, leur altération en épidosite et la déformation régionale restent mal comprises. Des expérimentations sur du métadiabase échantillonné dans le complexe de Troodos (Chypre) ont été réalisées pour, 1) contraindre les conditions P-T-fO2-composition du fluide de la réaction d'épidotisation et 2) quantifier les relations entre la perméabilité et la lithologie au cours de la déformation.A Troodos, deux grands types d'épidosite ont été observés: 1) une épidosite pénétrative au cœur des dykes et parallèle aux bordures figées et 2) des assemblages d'épidote et quartz sous présentant des fronts d'altération dans les joints de refroidissement ou sous forme de veines.De l'épidote a été synthétisée dans un autoclave statique avec un chauffage externe à 500°C et 2500 bars. Deux paramètres sont essentiels à l'épidotisation du métadiabase : la fugacité en oxygène et la composition du fluide (enrichi en Ca et Fe). Cependant, il y a un problème évident de nucléation à 400°C et 400 bars.Des mesures de perméabilité ont été réalisées dans un autoclave dynamique type Paterson par infiltration d'Ar et d'eau durant la déformation coaxiale. La perméabilité du métadiabase avant déformation est d'environ 10-20 m2. Après fracturation de l'échantillon, la perméabilité a augmenté jusqu'à 10-19 m2. En outre, la perméabilité de l'épidosite est d'environ 10-19 m2. Ce qui suggère que l'épidotisation génère de la porosité.Le problème principal est l'initiation de l'écoulement du fluide hydrothermale en raison de l'imperméabilité du diabase. Deux hypothèses sont proposées : 1) le fluide circule via les fractures et les fissures et 2) les fluides circulent dans une roche à l'état subsolidus (importance du dégazage).

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3.2GHz, et Bande Ku soit 13.6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents. Nous obtenons de très bonnes cohérences, ce qui atteste la sensibilité de la mesure altimétrique aux changements d'état de la surface induits par les variations de vent. Nous utilisons en dernier lieu un modèle régional (MAR/LGGE), qui prend en compte les interactions des vents avec l'état de la surface avec une résolution spatiale plus fine. Cela nous permet de confirmer les résultats déjà obtenus, et de mettre en valeur les spécificités du modèle MAR. Les méthodes mises en jeu sont empiriques et les résutats obtenus qualitatifs. Nous avons toutefois identifié deux régions majeures, réagissant différemment aux variations de vents, que nous expliquons par l'existence de structures de surface particulières, et un impact différent des vents sur l'état de la surface.

L'imagerie quantitative des propriétés physiques du sous-sol est fondamentale pour de nombreuses applications impliquant des échelles d'exploration très variées: géotechnique pour l'imagerie de la proche surface, exploration à l'echelle crustale, reconstruction lithosphérique et imagerie globale pour la compréhension fondamentale des processus géodynamiques, mais aussi pour l'exploitation optimale des ressources du sous-sol.Parmi les méthode géophysiques, les méthodes sismiques ont le pouvoir de résolution le plus élevé. La densification des dispositifs d'acquisition, la mise au point de sources et de capteurs large bande et l'augmentation de la puissance de calcul ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement et l'application de méthodes non conventionnelles d'imagerie sismique pour une extraction plus complète de l'information contenue dans les données sismiques. Parmi ces méthodes d'imagerie non conventionnelles, les méthodes d'inversion du champ d'onde complet, fondées sur la résolution complète de l'équation d'onde pour le problème direct (modélisation sismique) et la résolution d'un processus d'optimisation pour le problème inverse, font actuellement l'objet de nombreux développements méthodologiques, tant au sein des communautés industrielles qu'académiques.Le challenge numérique est la résolution du problème direct en trois dimensions pour un grand nombre de sources sismiques caractéristique des acquisitions pétrolières massives, et le challenge méthodologique est la gestion de la non-linéarité du problème inverse résultant de l'éclairage incomplet du sous-sol depuis la surface par des sources de bande-passante limitée. L'apport attendu de ces méthodes est la résolution de l'imagerie sismique de l'ordre de la demi-longueur d'onde propagée, sa capacité à imager des cibles complexes d'un point de vue structural notamment sous des écrans salifères ou basaltiques et la quantification des paramètres physiques caractérisant le sous-sol tels que la vitesse de propagation des ondes de compression à laquelle peuvent s'ajouter la densité, l'atténuation, la vitesse de propagation des ondes de cisaillement et des paramètres caractérisant l'anisotropie du milieu.L'objectif de cette thèse est de poursuivre le développement d'une méthode d'imagerie sismique acoustique 3D par l'inversion du champ d'onde complet et de l'appliquer à des données réelles pétrolières 3D de fond de mer enregistrées sur le champ pétrolier de Valhall en Mer du Nord et de fournir une des premières évaluations du potentiel des méthodes d'inversion des formes d'onde pour l'imagerie de milieux géologiques 3D L'inversion est effectuée en domaine fréquentiel où un nombre limité de fréquences est inversé suivant un protocole hiérarchique maintenant bien éprouvé procédant des basses fréquences vers les hautes fréquence: cette approche multi-échelle favorise la prise en compte de la non-linéarité du problème inverse.L'approche de modélisation en domaine temporel avec extraction du champ monochromatique par une transformée de Fourier discrète est effectuée pour calculer les champs d'onde monochromatique nécessaires à la résolution du problème inverse. L'algorithme d'optimisation du problème inverse est fondé sur une méthode de gradients conjugués préconditionés ou sur une méthode quasi-Newton. Les méthodes sont appliquées dans le cadre de l'approximation visco-acoustique isotrope où le milieu est paramétré par la vitesse de propagation des ondes de compression, l'atténuation et la densité. Seule, la composante hydrophone acquise en fond de mer est inversée. L'enjeu méthodologique de cette thèse est de fournir un modèle tri-dimensionelle du champ pétrolier de Valhall dans un cube de dimensions approximatives 18 km x 12 km x 5 km en poussant l'inversion à la fréquence la plus élevée possible.

Le travail réalisé au cours de ma de thèse avait pour but de placer de nouvelles contraintes sur la composition du ou des précurseurs organiques présents dans la nébuleuse proto-solaire. Des expériences de thermodégradation ont été mises en place en utilisant des matériaux modèles riches en azote. La spectrométrie de masse à haute résolution (Orbitrap) à été utilisée afin de mieux caractériser les polymères de HCN, autre matériau modèle. Ce travail apporte de nouvelles informations sur la diversité moléculaire de tels matériaux, ainsi que de nouvelles informations sur leur structure. Les expériences de thermodégradation proprement dites ont ensuite été réalisées, afin de mieux comprendre le comportement de l'azote dans les matériaux organiques macromoléculaires, et ainsi apporter de nouvelles contraintes sur l'origine de la matière organique présente dans les différentes classes de cosmomatériaux (chondrites carbonées, IDPs et UCAMMs). Cette série d'expériences nous a permis de mettre en évidence une probable différence de précurseur entre la matière carbonée des IOMs et celle des IDPs et UCAMMs.

L'uranium, le thorium et leurs descendants se trouvent a l'état de traces dans toutes les roches sur Terre. Sous l'action de l'érosion, des mécanismes de formation des sols et des transferts sol-plante, ces radionucléides sont disséminés dans toutes les composantes de l'environnement et via les chaînes alimentaires, ils sont transmis aux animaux et à l'homme. L'objectif de cette étude consiste à améliorer les connaissances sur les niveaux et la variabilité des activités de ces radionucléides dans différentes denrées et à faire progresser les connaissances sur leurs sources et leurs transferts. Cette étude s'intéresse à la variabilité géologique des sites étudiés (substrat granitique, volcanique et alluvial) sur lesquels sont prélevés différentes denrées (légumes, céréales, viandes, oeufs et produits laitiers). Les sources potentielles de radionucléides (eau d'irrigation et sol pour les végétaux ; eau d'abreuvage, aliments et sol pour les produits animaux) sont prélevées afin d'étudier leur contribution aux activités mesurées dans les denrées. Les résultats obtenus montrent une grande variabilité des activités dans les végétaux, moins prononcée dans les produits animaux. La source principale de radionucléides aux végétaux semble être le sol de culture. La remise en suspension de particules de sol et leur adhésion à la surface des végétaux ainsi que l'eau d'irrigation semblent important dans certains cas. Concernant les activités dans les produits animaux, une contribution significative du sol a l'activité en thorium a été mise en évidence. La contribution de l'eau à l'activité en uranium dans les volailles constitue une piste à approfondir.