La composition chimique de la croûte continentale a significativement évolué à la transition Archéen-Protérozoïque (3000-2500 Ma), témoignant de changements géodynamiques majeurs à cette époque. Afin d'étudier l'expression et les origines de ces changements, qui sont encore mal contraints, j'ai étudié une diversité de granitoïdes qui se sont mis en place dans cette gamme d'âges à la marge Nord du craton du Kaapvaal, en Afrique du Sud. Ce travail a permis de préciser la typologie et l'origine des granitoïdes tardi-archéens ; ceux-ci peuvent être classés dans trois grands groupes : (1) Les sanukitoïdes, représentés en Afrique du Sud par le pluton de Bulai, sont des magmas dérivant de l'interaction entre une péridotite mantellique et un composant riche en éléments incompatibles (TTG, liquide issu de la fusion de sédiments, et, plus rarement, fluide aqueux). Les sanukitoïdes peuvent être classés en deux groupes distincts, selon les mécanismes de cette hybridation : les low-Ti sanukitoids proviennent d'une simple hybridation du liquide silicaté avec la péridotite, alors que les high-Ti sanukitoids sont issus de la fusion d'un assemblage métasomatique à amphibole et phlogopite, résultant de ces interactions. Enfin, les mécanismes de différenciation des suites sanukitoïdes au niveau de la croûte sont contrôlées par des mécanismes de cristallisation fractionnée ou (moins vraisemblablement) de fusion partielle. (2) Les sanukitoïdes " marginaux ", représentés dans le craton du Kaapvaal par les plutons de Mashashane, Matlala, Matok et Moletsi, sont des granitoïdes résultant de l'interaction entre des sanukitoïdes et des magmas provenant de la fusion de croûte préexistante. Etant donné la large gamme de sources possibles (TTG, métasédiments, roches mafiques) d'un craton à l'autre, ce groupe est extrêmement diversifié. Leurs mécanismes de différenciation sont contrôlés par la cristallisation fractionnée. (3) Certains granites, tels que le batholite de Turfloop en Afrique du Sud, sont directement issus de la fusion de lithologies crustales (TTG, métasédiments et amphibolites). Au sein du craton du Kaapvaal, l'évolution spatio-temporelle du magmatisme tardi-archéen suit un schéma très caractéristique : les TTG se mettent en place entre ~3300 et ~2800 Ma, puis laissent la place à la genèse de l'ensemble des granitoïdes présentés ci-dessus, qui se déroule entre 2780 et 2590 Ma. Cette séquence d'évènements est reproduite au sein de tous les cratons du monde à la fin de l'Archéen. Elle témoigne de l'avènement des processus de recyclage crustal, puisque, par opposition aux TTG archéennes qui dérivent de métabasaltes juvéniles, les magmas tardi-archéens sont issus à la fois de la différenciation intracrustale et de l'interaction entre une péridotite et du matériel continental introduit dans le manteau. Cette dualité de processus pétrogénétiques est aussi très typique des épisodes magmatiques qui ont lieu à la fin des cycles de subduction-collision post-archéens. Ainsi, l'évolution de la composition des granitoïdes entre 3000 et 2500 Ma traduit vraisemblablement l'initiation d'une forme de tectonique des plaques proche du régime actuel. Celle-ci serait liée au refroidissement planétaire global, qui a probablement entraîné un " effet de seuil " dans l'évolution de l'épaisseur de la croûte océanique ainsi que la rhéologie et le volume de la croûte continentale, permettant ainsi à la subduction et à la collision de ne devenir thermo-mécaniquement stables qu'à partir de la fin de l'Archéen.

Le fer est nécessaire à la vie. Alors qu'il se trouve en abondance à la surface terrestre, il est extrêmement rare à la surface de l'océan (quelques nanogrammes par litre d'eau de mer), de sorte qu'il y limite la production primaire dans de nombreuses régions et donc le pompage du CO2 atmosphérique par l'océan. Le cycle océanique du fer est donc un maillon essentiel du système climatique. Alors que depuis une trentaine d'années les biogéochimistes marins ont concentré leurs efforts sur l'étude des concentrations de fer dans l'océan, il est devenu possible, depuis quelques années, d'étudier les isotopes du fer dans l'océan. Nous verrons en quoi ces isotopes nous apportent de nouvelles informations sur les sources de fer à l'océan et sur son cycle au sein de l'océan.

Cette Habilitation à Diriger des Recherches fait le point sur mes activités passées dans les domaines de la tectonique active, géomorphologie et datations 10Be. Ces activités disparates sont centrées autour d'un même thème qui est la signification du relief au dessus des zones de subduction. Au cours de ces années je me suis progressivement intéressé aux mouvements verticaux. Ceux-ci sont particulièrement bien enregistrés par les morphologies côtières et en particulier par les terrasses marines. Ces dernières se sont formées au cours des précédentes périodes interglaciaires, lorsque le niveau de la mer était haut, à peu près au même niveau que l'actuel. Ainsi, ces terrasses contiennent une information de qualité sur le soulèvement à l'échelle de quelques centaines de milliers d'années. Dans le détail, les séquences de terrasses montrent des variations morphologiques qui renferment probablement plus d'informations que leur altitude seule. C'est pourquoi je me suis intéressé à des cas de terrasses en formation : les plateformes côtières, via l'étude de terrain mais aussi la modélisation. J'ai par ailleurs travaillé sur la signification des concentrations en 10Be, et en particulier mis au point une méthode de quantification long-terme du recul des falaises. Ce mémoire se termine sur les perspectives d'avenir en continuité avec ces travaux sur la formation des terrasses, la vitesse d'évolution des plateformes ainsi que sur leurs caractéristiques en fonction des contextes géodynamiques.

Le marché de la pierre de construction représente une activité économique mondiale importante. Les échanges internationaux favorisent de potentielles substitutions, parfois frauduleuses, entre des pierres aux faciès comparables mais de provenances diverses. Il devient donc important de développer un outil de certification de la provenance des pierres de construction. Cette étude développe différentes méthodes d'identification (pétro-géochimie et/ou magnétisme) de pierres de construction de types granitique (Silverstar du Tarn, rose de La Clarté, gris bleu de Louvigné et bleu de Lanhélin) et sédimentaire (calcaire de Comblanchien) afin de pouvoir en certifier la provenance. De manière univoque, elle individualise ces pierres de construction françaises de potentiels concurrents commerciaux. Notre analyse utilise aussi des outils statistiques pour rendre compte de la variabilité intrinsèque des roches étudiées, quantifier la dissimilarité de roches de provenances différentes ou en établir, le cas échéant, la similarité. Au préalable l'échelle spatiale à laquelle une pierre de construction peut être considérée comme homogène est vérifiée. Des échantillons issus de carrières différentes sont comparés. Nos résultats et l'approche générale illustrée dans ce travail ne sont pas seulement d'intérêts pour les professionnels mais pour toute personne utilisant les pierres de construction à des fins industrielles. Cette étude montre qu'une caractérisation approfondie des pierres de construction peut en permettre la distinction en termes de provenance, et donc offre la possibilité de leur attribuer une carte d'identité, et si nécessaire un label commercial.

L'Oscillation Australe El Niño (ENSO pour El Niño Southern Oscillation) est la fluctuation climatique la plus intense sur Terre après le cycle saisonnier. L'observation, la compréhension et la prévision de cette fluctuation aux retombées mondiales sont des enjeux scientifiques majeurs. Cette thèse documente divers aspects d'ENSO tels que ses mécanismes, sa modulation et sa prévision. Ces divers aspects sont abordés en développant une hiérarchie de modèles du Pacifique équatorial, de complexité croissante, qui s'étend de modèles conceptuels à une méthode d'assimilation de données dans un modèle de complexité intermédiaire. Nous étudions dans un premier temps les mécanismes de formation d'ENSO. Nous développons une dérivation alternative du modèle conceptuel de recharge/décharge où ENSO résulte d'un ajustement de la thermocline équatoriale à échelle de bassin. Nous implémentons par ailleurs un diagnostic original dans un modèle d'instabilités couplées équatoriales, ce qui met en avant un nouveau mécanisme de formation d'ENSO où les réflexions aux frontières océaniques jouent un rôle secondaire. La stratification moyenne de l'océan contribue à la modulation décenalle des caractéristiques d'ENSO. Cette relation est abordée dans un nouveau modèle réduit qui prend en compte les premiers modes baroclines d'un océan continûment stratifié. L'espace des solutions du modèle est exploré, indiquant un contrôle de la stabilité d'ENSO par les caractéristiques de la thermocline équatoriale. La sensibilité à la stratification au cours des dernières décennies est mise en perspective avec la sensibilité aux rétroactions thermodynamiques et atmosphériques. Nous soulignons en particulier certaines limitations des méthodes usuelles d'estimation de la rétroaction de thermocline dans le Pacifique central. Finalement, nous implémentons une méthode de Filtre de Kalman d'Ensemble dans un modèle intermédiaire du Pacifique équatorial déjà existant, afin d'assimiler des observations de niveau de la mer et d'initialiser des prévisions rétrospectives d'ENSO. Nous montrons que la contrainte majeure du modèle porte sur les modes de bassin qui sont associés au processus de recharge/décharge du Pacifique équatorial. Notre travail fournit un formalisme pour diagnostiquer la modulation des caractéristiques d'ENSO dans les observations, les prévisions et projections climatiques. Les résultats soutiennent la nécessité d'étendre la compréhension des mécanismes d'ENSO, afin de rendre compte de la diversité des régimes observés et d'améliorer les prévisions.

Les précipitations sont caractérisées par une variabilité extrême sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. Elles résultent de phénomènes non linéaires qui produisent des extrêmes violents et localisés difficiles à représenter dans les modèles météorologiques. Il est alors souhaitable de pouvoir disposer de représentations stochastiques susceptibles de reproduire les propriétés statistiques des précipitations aux différentes échelles. Une famille de candidats possibles est constituée par les cascades multifractales, initialement introduites en mécanique statistique de la turbulence. Dans ce travail, nous considérons le modèle des " multifractales universelles " (Schertzer & Lovejoy, 1987), qui permet de caractériser les propriétés statistiques d'un champ d'un point de vue multi-échelle au moyen de trois paramètres fondamentaux (" universels "). Nous avons appliqué des outils d'analyse multifractale à des jeux de données de précipitations représentatifs de la variabilité à la sub-mésoéchelle, notamment à des cartes radar de pluie et à des séries chronologiques à très haute résolution temporelle. Cette étude a permis d'identifier les gammes d' " invariance d'échelle " dans lesquelles des symétries multifractales prédominent, et d'estimer les trois paramètres universels. Nous montrons aussi que l'application des algorithmes d'analyse à l'intérieur des événements de pluie fournit des résultats sensiblement différents de ceux généralement publiés. On a pu démontrer, par des calculs théoriques et au moyen de simulations, que les algorithmes classiques d'analyse multifractale sont très sensibles à la proportion de zéros dans les champs, ce qui est évidemment problématique pour la pluie. Une méthode d'analyse pondérée par le support d'occurrence de pluie des données a été proposée pour corriger les biais. Les valeurs des paramètres universels corrigés semblent indiquer que la pluie et les scalaires passifs présentent certaines symétries d'échelles communes aux échelles suffisamment grandes pour que l'advection turbulente domine les effets inertiels. Enfin, on montre que l'existence de propriétés multifractales présente un grand intérêt au niveau des applications. Notamment, un algorithme de downscaling multifractal universel a été défini. Cet algorithme exploite les symétries caractérisées par les paramètres universels pour générer une variabilité statistiquement réaliste à des échelles plus fines qu'une échelle d'observation donnée. Potentiellement, cet algorithme pourrait être utilisé pour générer des séries de précipitations de résolution horaire à partir de données journalières, ou pour augmenter la résolution de cartes de précipitations, ce qui peut donner lieu à des applications en hydrologie.

La Mousson Ouest Africaine est un système complexe, qui présente des variations interannuelles très importantes. Ces variations se traduisent par les fluctuations considérables des précipitations sur le continent. Avoir une meilleure compréhension du système complexe qu'est la mousson africaine peut permettre de mieux cerner les mécanismes qui influencent la production des précipitations sur le Sahel. La première partie de ce travail de thèse consiste en une comparaison entre deux saisons de mousson aux régimes de précipitations différents afin d'extraire les caractéristiques communes et différentes, pour les appliquer à l'étude de la saison de mousson durant laquelle s'est déroulée la campagne AMMA. Cette étude est complétée par une compréhension des processus dynamiques et thermodynamiques qui sont à l'origine du déclenchement de l'Onset de la mousson, et qui permettent l'installation des conditions favorables au développement des précipitations sur le Sahel. Le second volet est basé sur les mécanismes physiques qui entrent en compte dans le cycle de vie des lignes de grains sur le Sahel. Enfin, la dernière partie traite de l'impact des systèmes de méso - échelle sur leur environnement en terme de bilan de chaleur et d'humidité dans le quadrilatère sud de l'expérience AMMA.

La marge du sud-est du Brésil est une marge passive élevée présentant des évidences d'activité magmatique et tectonique post-rift (intrusions alcalines et bassins sédimentaires). Nous avons mené une étude structurale et de thermochronologie (traces de fission et U-Th/He sur apatite) pour contraindre les âges, l'amplitude, les directions de contraintes et les causes de ces réactivations. La modélisation des données thermochronologiques nous a permis de mettre en évidence deux phases d'exhumation généralisée sur la région au Crétacé Supérieur et au Néogène. Une troisième phase durant le Paléogène est concentrée le long des bassins tertiaires. Au total, depuis la zone côtière jusqu'à la Serra da Mantiqueira, l'exhumation post-rift atteint 4.5 km. Une étude des profils sismiques du bassin de Taubaté, et des données d'affleurement a montré que les bassins tertiaires se formaient en transtension senestre au Paléogène, avec des contraintes compressives orientées SW-NE puis étaient réactivés en transpression dextre durant le Néogène sous l'effet de contraintes compressives E-W. Les âges, comme la cinématique des réactivations sont compatibles avec ceux inférés pour d'autres zones de la plaque sud-américaine ainsi qu'avec la cinématique de la convergence Nazca-Amérique du Sud. Nous avons donc conclu qu'un état compressif de l'ensemble de la plaque sud-américaine, sous l'effet des forces de ridge-push et de traction mantellique, était responsable de la réactivation des zones de faiblesses héritées, et provoquait les différentes phases de réactivation de la marge sud-est du Brésil, provoquant sa surrection et façonnant ainsi la topographie que nous connaissons aujourd'hui.

Les séismes sont à l'origine d'évènements sédimentaires gravitaires (turbidites) dont l'étude permet de reconstituer l'histoire mal connue de la paléosismicité des marges continentales. L'analyse d'une série de carottes de sédiments, collectées stratégiquement dans trois systèmes turbiditiques de la marge en subduction Hikurangi de Nouvelle-Zélande, permet d'établir les caractéristiques, les facteurs de contrôle et les mécanismes déclencheurs de la sédimentation gravitaire des derniers 18,000 ans. La succession sédimentaire comprend quatre lithofaciès et modes de dépôt : hémipélagite (sédimentation marine), turbidites (courants de turbidité), débrites (débris flows) et tephra (retombée de cendres volcaniques), dont l'organisation générale dépend de la morphologie de la marge et des fluctuations glacio-eustatiques. Les crues, les éruptions volcaniques et les " slope failures " sont les trois mécanismes déclencheurs des turbidites. Plus de 90% sont déclenchées par des " slope failures " en haut de pente (150 - 1,200 m) à la suite de séismes. L'adaptation d'un modèle empirique de stabilité de pente suggère que ces turbidites représentent l'enregistrement sédimentaire des ruptures répétées de trois failles actives, dont l'interplaque, et correspondent à des séismes de Mw≥7.3 avec un temps de retour de 150±50 ans. Parmi ces turbidites co-sismiques, 20 montrent une synchronicité de déclenchement sur l'ensemble de la marge et un volume important. Elles correspondent à des ruptures de la zone interplaque de Mw 7.5 - 8.4, dont les temps de retour montrent une phénomène de clustering où alternent les périodes actives à faible temps de retour (305 - 610 ans), et les périodes de quiescence à temps de retour élevé (1480 - 2650 ans). Ce calendrier paléosismique intégré aux modélisations en cours devrait permettre de mieux appréhender l'aléa sismique et les risques pour la population.

L'étude de l'Univers primordial adresse quelques-unes des questions les plus fondamentales de la physique théorique. Cette thèse a pour objet l'exploration de trois aspects principaux de la cosmologie primordiale. Dans un premier temps, nous discutons d'une alternative au paradigme scientique qu'est le modèle du Big Bang. A savoir, nous explorons un modèle d'univers à rebond qui évite la singularité initiale du Big Bang. Nous commencerons dans l'introduction par revoir les éléments de base nécessaires à la compréhension de la cosmologie. A la suite de quoi, nous montrerons un modèle spécifique d'Univers à rebond contenant des champs additionnels particuliers en complément des champs présents habituellement. Ces nouveaux champs proviennent de ce qui s'appelle le modèle "Lee-Wick" de la physique des particules. En particulier, nous prouvons qu'un univers à rebond dans ce contexte est instable lorsque l'on ajoute une composante de radiation en plus de la matière. Dans la seconde partie, nous considérons la production de particules via un phénomène de résonance paramétrique durant la phase de "préchauffement", a la fin de l'inflation cosmologique. Plus précisément, nous prouvons que dans le cas où l'inflation a une limite de vitesse, les termes cinétiques non-canoniques décrivant n'importe quel Lagrangien effectif n'améliorent pas la production de particules. Finalement, le dernier sujet aborde concerne les défauts topologiques pendant la transition de phase de la chromodynamique quantique. A savoir, nous étudions les cordes cosmiques provenant des champs de pions présents dans le modèle standard de la physique des particules et trouvons un méchanisme pour les stabiliser. Nous prouvons alors qu'un bain thermique de photons en contact avec ces cordes réduit la variété du vide à un cercle. Cela a pour effet d'autoriser la présence de "cordes pioniques" topologiquement stables.