L'évolution d'un piémont de chaîne de montagnes est contrôlée par les interactions entre la tectonique, l'érosion et la sédimentation. Pour étudier ces processus, nous avons analysé des données morphométriques issues des piémonts orientaux du Tian Shan (NW Chine) et développé un nouveau type de modélisation analogique. Cette approche utilise un dispositif et un matériau expérimental spécialement conçus pour modéliser simultanément des structures tectoniques (failles, plis), une morphologie détaillée (bassins versants, rivières, cônes alluviaux, etc.) et une sédimentation stratifiée. Des techniques de mesure optique ont été également mises en oeuvre afin de quantifier l'évolution topographique et cinématique des modèles.<br />Les expériences réalisées offrent une opportunité inédite d'étudier l'évolution morphotectonique d'un piémont. Nos résultats montrent que la tectonique exerce un contrôle de premier ordre sur cette évolution. La propagation de la déformation et la formation des reliefs influencent en effet significativement le développement du réseau de drainage, l'évolution des bassins versants et la formation des marqueurs morphotectoniques. En particulier, l'analyse de la morphométrie des cônes alluviaux et de leurs bassins versants suggère qu'un équilibre dynamique s'installe entre la surrection, l'érosion et la morphologie. Nos résultats montrent également que l'apparition des terrasses est guidée par l'activité des chevauchements et les adaptations de l'hydrographie. Leur modèle de plissement répond à une déformation homothétique.<br />Cette nouvelle approche ouvre des perspectives d'étude prometteuses en géomorphologie, sismotectonique et stratigraphie.

Les perturbations liées au changement global du climat ont des conséquences significatives sur les écosystèmes côtiers, en particulier dans les pays situés en zone tropicale et subtropicale déjà soumis à une pression anthropique marquée. A l'île de La Réunion, l'érosion des plages coralliennes est un fait constaté depuis les années 1980, qui peut être associé à l'état de santé des récifs frangeants adjacents. Le récif frangeant de l'Hermitage / La Saline a été choisi comme site pilote pour mener une étude de l'évolution morphodynamique des plages coralliennes et de la dynamique hydrosédimentaire. L'analyse et la synthèse des forçages physiques environnementaux permettent de montrer une érosion significative des littoraux coralliens pour des flux énergétiques associés à la houle du large supérieurs à 5.104 J.m-1.s-1. L'évolution morphodynamique des littoraux coralliens ne montre aucune variabilité saisonnière marquée mais une étroite relation avec la fréquence et l'intensité des événements paroxysmaux. Les enregistrements de l'hydrodynamisme permettent d'identifier les principaux forçages qui conditionnent la circulation générale des masses d'eau. Elle est organisée selon 5 cellules hydrodynamiques et est conditionnée par les processus de distribution de l'énergie de la houle du large et la géomorphologie récifale. Des profondeurs minimales de 0,75 m sur le platier récifal externe et de 1,8 m dans les zones d'arrière récif sont nécessaires pour permettre un transfert optimal de la houle du large vers la côte. Des concentrations et des flux sédimentaires ont pu être calculés qui traduisent une perte significative de matériel particulaire pour le secteur récifal considéré. Les résultats de cette étude montrent l'importance des récifs frangeants et leur rôle dans l'équilibre sédimentaire et la pérennité des littoraux coralliens réunionnais. L'observation et le suivi des processus physiques côtiers et du large se révèlent des facteurs importants à considérer dans des projets de gestion intégrée des zones côtières à La Réunion.

Les aquifères fracturés hétérogènes se développent dans les roches cristallines (schiste, granite,...). Ces milieux présentent une large gamme de porosité de celle contenue dans les fissures et fractures qui constituent la zone de transfert principale de l'eau, à une porosité plus faible constituée de l'ensemble des microfissures et micropores de la matrice rocheuse. Une meilleure caractérisation de ces aquifères, appliquée plus particulièrement à la problématique de recherche de nouvelles ressources en eau en Bretagne, est réalisée au travers de deux axes principaux : (1) de suivis hydrochimiques, d'analyses isotopiques, d'expérimentations en laboratoire et (2) d'analyse des chlorofluorocarbones – CFC – (gaz anthropiques) en vue de la détermination des temps de résidence. <br />L'hydrochimie de ces aquifères est fortement liée à l'hétérogénéité physique des roches avec une variabilité spatiale beaucoup plus grande que la variabilité temporelle dans ces bassins-versants. Dans ces milieux, le cycle de l'azote et du soufre sont intimement liés au travers de la dénitrification par oxydation des sulfures. La potentialité d'une dénitrification par oxydation du fer dans les roches cristallines a été mise en évidence au travers d'expérimentations en batch. L'interprétation des données concernant les isotopes du soufre et de l'oxygène des sulfates montrent une cohérence entre la localisation spatiale et le processus mis en jeu quel que soit le site étudié. L'ensemble de ces résultats met en avant l'existence dans la zone profonde de ces aquifères, de solutés d'origine ancienne conservés dans la microporosité et qui contribuent à la chimie des eaux circulant dans les fractures connectées à cette microporosité.<br />Ces aquifères peuvent être décomposés en trois compartiments principaux que sont les zones de recharge, la zone altérée et la zone profonde. Dans chacun de ces compartiments les temps de résidence sont homogènes à l'échelle de la Bretagne : eaux récentes dans les zones de recharge, eaux anciennes (>50 ans) dans la zone profonde et un temps de résidence moyen de 18 ± 2 ans dans la zone altérée. Ces données indiquent que la gestion de ces aquifères doit prendre en compte l'échelle du temps de résidence de l'eau dans la zone altérée, réservoir de soutien des cours d'eau (supérieur à la dizaine d'années).

La vapeur d'eau joue un rôle majeur dans le fonctionnement climatique et météorologique de la Terre. C'est notamment une variable clé pour comprendre les phénomènes de convection à l'origine des précipitations intenses. Or les prévisions quantitatives des pluies ne s'améliorent pas depuis 20 ans parce que - entre autres - la mesure de la variabilité de la vapeur d'eau est une lacune des systèmes d'observations. La précision de la mesure du contenu intégrée en vapeur d'eau par le système GPS est démontrée depuis une dizaine d'années. La tomographie GPS permet aujourd'hui de restituer le champ 3D de vapeur d'eau. <br />Ce mémoire présente la théorie (méthodes des moindres carrés et filtre de Kalman), la validation et les applications du logiciel LOFTT_K de tomographie troposphérique GPS développé pendant cette thèse. La tomographie a été validée grâce à des simulations, des modèles météorologiques et des mesures indépendantes. Elle a ensuite été utilisée pour comprendre les interactions petites échelles entre les dynamiques locales (les brises) et de mésoéchelle (le mistral). Le GPS météorologique a permis aussi de caractériser les variations d'humidité pendant les pluies cévenoles. Enfin la tomographie GPS régionale a mis en évidence un mécanisme de chargement en humidité de l'atmosphère avant l'initiation de la convection.<br />A l'avenir, les données GPS seront assimilées dans les modèles opérationnels de prévision météorologique. Elles doivent aussi servir à approfondir la connaissance des relations entre les précipitations, la convection et la dynamique de la vapeur d'eau.

La dynamique de l'extension continentale et la géométrie des rifts qui en découlent sont régies par la combinaison de nombreux paramètres (thermiques, mécaniques, cinématiques) qui interagissent à différentes échelles, dans le temps et dans l'espace. L'exemple choisi dans cette étude, afin d'apporter des éléments de réponse à la compréhension de la mise en place des structures extensives, est celui du rift Turkana (Nord Kenya) qui appartient à la branche est du Rift Est Africain (REA). Cette portion de rift cénozoïque atypique s'est développée selon un axe NS depuis ~45 Ma. entre les terminaisons de deux bassins d'un rift antérieur oblique (bassins Anza-Soudan N140°E Crétacé). Sa structure profonde est dominée par un ensemble d'hemi-grabens syn-rifts oligo-pliocènes et sa géométrie de surface est actuellement marquée par une topographie peu contrastée et une sismicité faible qui rendent difficile l'étude des mouvements récents/actifs dans ce secteur. <br /><br />Ce mémoire, basé sur l'interprétation d'imagerie satellitale Landsat ETM+, corrélée aux données topographiques (SRTM) et aux données de sismique réflexion, permet :<br />- A l'échelle régionale, une reconstitution tectono-magmatique de l'histoire polyphasée du rift Turkana établie sur la base de cinq cartes ‘restaurées' successives (45-23 Ma., 23-15 Ma., 15-6 Ma., 6-2.6 Ma. et 2.6 Ma.-Actuel), auxquelles ont également été intégrées les structures pré-existantes (socle précambrien, structures crétacées). Ce modèle démontre clairement l'influence de : 1) deux couloirs transverses de socle faillés d'échelle régionale (NKFZ : N'Doto-Karisia N140°E, 100x600 km ; KBFZ : Kataboi-Buluk N50°E, 30x250 km) et 2) de domaines magmatiques, sur la nucléation et la propagation des structures extensives à différents stades du rifting. Les bassins syn-rifts se développent et migrent en premier lieu à l'intérieur du couloir N140°E NKFZ à la faveur de relations angulaires entre les structures N140°E et les failles néoformées NS, ces dernières sont par la suite bloquées lors de leur interaction avec les structures N50°E KBFZ qui peuvent également agir comme des zones de transfert et aboutissent à l'élargissement de la zone riftée (200x200 km). La description des relations entre les domaines magmatiques et la déformation met en avant le rôle déterminant des structures internes des dômes volcaniques (fentes d'extrados, failles syn-magmatiques) sur la propagation des bassins à travers ces paleo-dômes après cessation de l'activité magmatique. <br />- A l'échelle lithosphérique, les interactions panache/lithosphère durant la migration de la plaque Afrique (~1000 km vers le NE) depuis 50 Ma. à la verticale de deux plumes cénozoïques permettent de proposer deux hypothèses sur l'absence de soulèvement thermique le long de la dépression du Turkana. Il peut s'agir, soit de la migration latérale de la tête du panache sous la lithosphère pré-étirée crétacée selon un mécanisme de ‘thin-spot', soit du ‘durcissement' de cette même lithosphère en réponse au refroidissement du matériel mantellique sous-plaqué (crétacé) qui entrave le soulèvement de l'ensemble de la zone. <br />- Concernant les déformations récentes/actives (<5 Ma.) du rift Turkana, l'étude du développement des inversions tectoniques positives (<3.7 Ma.), distribuées uniquement dans les bassins situés à la verticale du couloir transverse N140°E NKFZ, confirme l'importance du rôle joué par cette discontinuité de premier ordre sur l'évolution du rift Turkana depuis l'Eocène jusqu'à l'Actuel. La reconstitution de la mise en place de ces structures compressives aboutit à un modèle cinématique polyphasé comprenant les trois stades suivants : 1) un régime purement extensif avant 5 Ma. (σ3 horizontal orienté EW, σ1 vertical), 2) une rotation horaire (~20°) de l'axe σ3 entre 5 et 3.7 Ma. qui entraîne la réactivation en dextre de la NKFZ et la formation d'un réseau de fractures N20°E et 3) un stade compressif (permutation des axes σ1/σ2) accompagné de la rotation horaire de σ3 (~20°) qui induit la réactivation en inverse des failles N20°E après 3.7 Ma.<br />- A l'échelle plus locale, dans la partie orientale du rift Turkana, le réseau récent (<3 Ma.) de failles N170°-N10°E du Kino Sogo (150x40 km) s'organise selon une succession régulière de horsts et grabens, exceptionnellement bien exposés, qui recoupent des laves mio-pliocènes peu épaisses (~200 m) mises en place sur un horst asymétrique de socle, limité par des structures N140°E, N50°E et NS. L'étude géométrique et statistique de la population de failles du Kino Sogo révèle plusieurs particularités : 1) ce réseau accommode peu d'extension (<1%) et implique des taux d'extension et de déformation faibles (~0.1 mm/an et 10-16 s-1, respectivement), 2) l'analyse des longueurs de failles se corrèle avec une loi mathématique de type exponentielle en opposition avec celles classiquement admises de type lois de puissances, et 3) malgré des longueurs importantes (9-40 km), les failles présentent des rejets ≤ 100 m, ce qui leur confère un rapport rejet/longueur inférieur à ceux décrits sur des réseaux de failles similaires. Ce caractère mature, mais sous-déplacé des failles, est attribué à un modèle de croissance de failles dominé par la réactivation de structures pré-existantes présentes dans le socle sous-jacent (foliation/failles) ou au toit d'un paléo-dôme volcanique antérieur. <br />- Enfin, d'un point de vue méthodologique, l'intérêt de l'étude des réseaux de drainage en contexte morphologique peu contrasté est confirmé par une analyse détaillée de l'intense réseau de drainage développé dans le secteur occidental du Turkana. En effet, l'interprétation structurale de trois anomalies de drainage met en évidence : 1) la déviation de la rivière Turkwell (NS puis EW) le long d'un couloir transverse faillé EW intra-socle de second-ordre (Turkwell-Mont Porr ; ~20x100 km), 2) le blocage d'un réseau dense de rivières par la réactivation récente (<5 Ma.) du plan de faille bordière Ouest Napedet d'âge oligo-miocène 3) la formation d'une anomalie de type circulaire autour d'une structure antiforme initiée lors de l'inversion d'un dépocentre au pied de la faille de Kerio et associée aux inversions tectoniques positives décrites pour la période récente (<3.7 Ma) dans une partie du rift Turkana. <br /><br />D'une façon générale, ce travail apporte des résultats et des modèles nouveaux ayant des implications directes sur l'étude de la nucléation et de la propagation des bassins syn-rifts et des réseaux de failles associés aux segments de rift magmatiques marqués par un héritage structural important (socle, système rifté antérieur).

Cette thèse vise à comprendre les processus thermiques et les régimes d'écoulement de fluides menant à <br />la genèse de gisements d'or mésothermaux. <br />Deux approches de modélisation numérique sont utilisées, une régionale, caractérisant le régime thermique conductif pré-minéralisation et l'autre locale ajoutant la convection hydrothermale syn-minéralisation. Les modèles sont appliqués à un cas représentatif, les gisements mésothermaux Paléoprotérozoïques géants de la ceinture d'Ashanti au Ghana. D'après les résultats, la valeur du flux de chaleur mantellique déduite, 30mW.m-2, est compatible avec la présence d'un panache dans la région à ~2 Ga. La prise en compte de la dépendance de conductivité thermique en température apparaît nécessaire pour ne pas surestimer la valeur déduite. Des régions potentiellement favorables au dépôt de l'or sont identifiées et les zones faillées où les écoulements sont 3D mènent à une périodicité spatiale du dépôt cohérente avec les données de terrain.

Dans un contexte de changement climatique, la connaissance des climats passés permet de mieux cerner<br />l'évolution future du climat. Les isotopes stables de l'eau constituent un excellent proxy paléo-climatique. Les<br />propriétés physiques des isotopes lourds de l'eau (H182 O; HDO) induisent des fractionnements isotopiques,<br />qui dépendent de la température et du taux de distillation. Sous réserve d'une inversion bien conditionnée du<br />signal isotopique, on peut reconstruire les variations passées du climat à partir d'archives isotopiques. Les carottes<br />de glace andines constituent un enregistrement unique de la variabilité du climat tropical. En revanche,<br />la complexité de la circulation atmosphérique rend plus ardue l'interprétation de leur signal isotopique.<br />En conséquence, nous avons développé au cours de cette thèse un module traitant du fractionnement<br />des isotopes stables de l'eau au sein du modèle de circulation régionale REMO pour application au cas de<br />l'Amérique du Sud. Le manuscrit retrace les principales étapes de la thèse. Il s'agit de la mise en perspective<br />du travail de thèse dans la problématique du changement climatique ; la description du modèle de circulation<br />régionale REMOiso et de son module traitant des isotopes de l'eau ; la validation initiale de REMOiso sur<br />l'Europe ; l'étude des variations saisonnières des précipitations, de la circulation atmosphérique régionale et<br />du signal isotopique en Amérique du Sud ; de l'enregistrement par les isotopes stables de l'eau de la mousson<br />sud-américaine.

La prise en compte des nuages est essentielle dans l'étude du climat, en particulier leur rôle radiatif. A cause de ses aspects non-linéaire et multiéchelle, une des difficultées du transfert radiatif tient à la prise en compte des hétérogénéitées spatiales des propriétées microphysiques (variabilité horizontale, hétérogénéitée géométrique, ...), tant d'un point de vue théorique que numérique. Afin de répondre à cette problématique, nous utilisons ici l'analyse multirésolution de type ondelette dans une méthode de Galerkin appliquée à l'Equation du Transfert Radiatif. Cette méthode permet de formaliser le problème du transfert radiatif en milieu hétérogène en distinguant les processus élémentaires d'interaction entre le champ de rayonnement et le milieu nuageux, décrits par des coefficients de connexion. Cette réécriture a conduit à la mise au point d'un code de calcul, conçu comme un "modèle instrument", un outil d'analyse des problèmes d'échelle en transfert radiatif. Les résultats ont été validés par rapport aux codes Monte Carlo et SHDOM. Des premières simulations ont montré l'intérêt de cette approche pour quantifier les sources radiatives additionnelles à l'échelle de pixels dits d'approximation dues aux couplages locaux entre les echelles, et étudier les effets radiatifs 3D. Cette nouvelle approche ouvre des possibilités d'application aux études en cours sur les limitations des codes de calcul existants et des techniques d'inversion de mesures satellites, et peut amener à la définition de paramétrisation multichelle des hétérogénéités nuageuses.

En 2000, une carotte de 15 m a été prélevée dans le lac d'Annecy : celle-ci a fait l'objet d'une étude permettant d'une part, d'établir une chronologie annuelle de la sédimentation et d'autre part, de reconstruire l'évolution hydrologique du lac d'Annecy associée aux grands événements climatiques des 15 000 dernières années. La chronologie des sédiments récents a été établie à partir de mesures radiochronologiques (137Cs et 210Pb), comptage de varves et grâce à la reconnaissance de crues historiques. Au-delà du Petit Age de Glace, le comptage de varves a été précisé grâce à des datations 14C SMA, à l'identification de téphras et aux variations de d18O des ostracodes benthiques. Le modèle d'âge à résolution infradécennale recouvre l'ensemble de l'Holocène et du Tardiglaciaire (âge estimé de la base 15380 calBP). La sédimentologie et les propriétés physiques du sédiment (SM, IRM, ARM, Spectrocolorimètrie, etc...) attestent de la sensibilité du bassin versant et de son hydrologie aux évènements majeurs de l'Holocène et du Tardiglaciaire (Oscillations climatiques Tardiglaciaire, Dryas récent, évènement 8.2 ka, optimum Holocène, Petit âge de Glace). On observe de plus dans les sédiments les traces de l'impact humain dès 2700 calBP.

L'étude de la localisation de la déformation dans un milieu fragile/ductile s'inscrit dans la compréhension mécanique du développement des réseaux de fractures multi-échelles, caractéristiques de la déformation intra-continentale. Une approche expérimentale, simulant un contexte de collision à l'échelle lithosphérique, a été mise en oeuvre. Elle permet de décrire et de suivre dans le temps un mode de rupture, dans lequel les réseaux de failles obtenus présentent des propriétés statistiques similaires à celles des réseaux naturels. Une analyse détaillée de l'organisation des hétérogénéités et des déformations dans ces expériences permet d'obtenir des informations importantes sur l'évolution de ces systèmes et sur la localisation de la déformation à grande échelle. La déformation d'un analogue de la lithosphère continentale peut ainsi être caractérisée par trois facteurs : le paramètre fragile/ductile G, le nombre d'Argand Ar et les conditions aux limites. G, lié au couplage fragile/ductile, contrôle le degré de localisation de la déformation. Ar caractérise le rôle des forces gravitaires sur l'expression du mode de déformation dominant (compressif, décrochant ou extensif). Les conditions aux limites influent sur la répartition spatiale de ces modes de déformation. A partir de l'analyse des champs de déformation, le processus de localisation est découpé en deux phases : la phase pré-localisation et la phase post-localisation. La phase pré-localisation se traduit par une augmentation de la déformation moyenne avec le temps selon une loi de puissance, dont l'exposant est indépendant de la rhéologie du milieu. Elle se caractérise par une organisation progressive des déformations, qui s'accompagne d'une augmentation de la longueur de corrélation. Cette phase pré-localisation semble se faire sur une période de temps indépendante de la rhéologie du milieu comme du mode de déformation. Elle aboutit au développement du réseau de failles. La phase post-localisation est caractérisée par une organisation des déformations selon des lois d'échelles, dont la dimension fractale est fonction de la rhéologie du milieu. Bien que la déformation moyenne et la longueur de corrélation (de la taille du système) soient stabilisées, le système reste dynamique, comme en témoignent les fluctuations observées au niveau de la masse des failles actives ou de la dimension de corrélation. Dans la mesure où la mécanique du couplage fragile/ductile ne peut être expliquée à partir des expériences, celle-ci est abordée au travers de simulations numériques. Le rôle de la viscosité du milieu ductile sur le caractère localisé ou diffus de la fracturation dans le milieu fragile y est plus particulièrement étudié. Les résultats montrent notamment qu'une variation d'un ordre de grandeur de la viscosité permet de passer d'un mode de fracturation diffus à localisé.