Cette thèse a pour but d'améliorer notre compréhension des processus d'altération des roches mafiques silicatées, de la spéciation des éléments et de leur migration dans le milieu boréal (bassin versant de la mer Blanche, Nord-Ouest de la Russie). Les objectifs principales du travail sont i) de caractériser et décrire les mécanismes responsables de l'altération chimique et de la formation des minéraux dans la zone subarctique, ii) évaluer le rôle de la lithologie (environnement granitique versus basaltique) dans la spéciation des éléments traces (ET) et la formation des colloïdes organo-minéraux dans les eaux de surface des bassins versants boréaux des hautes latitudes, et iii) révéler la dépendance de la spéciation des ET en fonction du pH de la solution pour prédire des changements éventuels dans la bioaccumulation des éléments dans les eaux naturelles à cause de leur acidification. L'originalité de cette thèse est de combiner, pour la première fois sur les mêmes objets naturels, les techniques physico-chimique, minéralogique et isotopique afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions subarctiques.

Cette thèse vise à étudier la spéciation des éléments et leur migration dans le milieu boréal (Karélie et Russie Centrale). Les objectifs principaux de ce travail sont : i) de caractériser la distribution de taille moléculaire des éléments traces et de la matière organique, ii) révéler la régularité de distribution des formes colloïdales des éléments traces dans les eaux naturelles le long du continuum sols - marécages- cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux des bassins versants boréaux, et iii) révéler la dépendance de la composition isotopique en fonction de la taille moléculaire, de la spéciation des éléments et des conditions physico-chimiques des eaux. L'originalité de cette thèse est d'appliquer la méthode de la filtration en cascade pour étudier la distribution de taille moléculaire des éléments traces dans les eaux naturelles et de combiner les techniques géochimiques et isotopiques pour la première fois sur les mêmes objets naturels afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions boréales. La première partie de la thèse consiste en une introduction générale de la problématique. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de la distribution de la matière organique naturelle dans les différentes fractions granulométriques des eaux naturelles présentant des conditions redox et hydrodynamiques variables au sein des micro-systèmes (solution de sols - marécage - cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux) de petits bassins versants à substratum homogène. En particulier, nous avons étudié les concentrations du carbone organique dissous, son poids moléculaire, ses caractéristiques optiques et ses rapports carbone/nitrogène pour obtenir des informations précieuses sur l'origine (allochtone versus autochtones), l'aromaticité, l'hydrophilie / l'hydrophobie de la matière organique. La troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude de la distribution de taille moléculaire des éléments traces et à la caractérisation quantitative des formes colloïdales des éléments dans les rivières et les eaux de surface de ces milieux qui sont très riches en matière organique et pas soumis à l'impact humain. Dans cette partie il est notamment montré l'existence de corrélations des éléments traces avec le fer et la matière organique dans les filtrâts ; également un intérêt particulier est porté à la distribution des colloïdes et aux coefficients de partition des éléments dans les différents micro-systèmes (solution des sols - marais de source - cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux). Le quatrième chapitre rapporte les résultats des compositions isotopiques en strontium (Sr), néodyme (Nd), cuivre (Cu) et magnésium (Mg) au sein des différentes fractions colloïdales des eaux naturelles du sud et du nord de la zone boréale de la Russie Européenne. Ces derniers travaux conduits sur des isotopes stables (Cu, Mg) et radiogéniques (Sr, Nd) nous permettent de définir les facteurs qui influencent le changement de la composition isotopique. Le cinquième chapitre est consacré à l'étude du fractionnement isotopique du fer dans les types différents d'eaux naturelles sur les fractions granulométriques. En particulier, nous avons étudié la composition isotopique dans les filtrats et ultrafiltrats en fonction des concentrations en fer et en matière organique, du pH et des autres paramètres physico-chimiques. Dans le sixième chapitre il est formulé les conclusions principales et les perspectives de la thèse. L'étude menée dans cette thèse vise à contribuer à la prévision de l'évolution de la spéciation et des flux des éléments traces et de la matière organique dans les régions Arctiques en réponse au réchauffement climatique global.