Dans le contexte de la rivière Sélune en France, où deux barrages sont en cours de retrait pour rétablir la continuité hydro-sédimentaire de la rivière, cette thèse s'est fixée pour objectif de comprendre les impacts potentiels de ces changements sur la dynamique de la zone hyporhéique. Cette zone, cruciale dans les cycles hydrologiques ainsi que pour la reproduction de certaines espèces de poisson, demeure mal comprise du fait du faible nombre de donnée disponibles. Pour pallier à ce problème, un réseau de capteurs autonomes mesurant différentes variables physico-chimiques a été déployé à partir d'octobre 2021, sur une durée de 2 ans. La méthodologie de cette étude repose sur l'analyse des gradients physico-chimiques verticaux dans les sédiments du lit de la rivière, en se penchant sur l'oxygène et la conductivité. L'hétérogénéité de la perméabilité a également été examinée grâce à des mesures de conductivité électrique. Les résultats ont révélé des variations spatiales significatives de la perméabilité du lit. En particulier, l'impact du flux sédimentaire lié à l'arasement des barrages a été observé, provoquant une diminution de la perméabilité dans certaines zones. En ce qui concerne l'oxygène dissous, les variations observées sont liées aux régimes d'infiltration et d'exfiltration, avec possiblement des baisses temporaires dues à l'activité microbienne en réponse à l'apport de matière organique. De plus, l'arrivée de sédiments en mai 2022 semble avoir entraîné une période prolongée d'anoxie, avec potentiellement des conséquences majeures pour la faune aquatique. Cette recherche a contribué à une meilleure compréhension de la zone hyporhéique et a souligné l'impact significatif du flux sédimentaire sur la perméabilité, la dynamique de l'oxygène et le phénomène de colmatage. Elle a également ouvert de nouvelles perspectives pour l'analyse des propriétés hydrothermiques du lit de la rivière, des flux d'eau et l'utilisation de mesures de conductivité électrique pour estimer la profondeur des échanges nappe-rivière, ainsi que le développement de modèles théoriques pour prédire le transport des éléments dissous et leur dégradation.

Les interfaces terre-eau, fortement vulnérables au changement climatique et à la pression anthropique, requièrent une surveillance accrue. Toutefois, l’observation ininterrompue des zones submergées et émergées demeure un défi en raison de la présence d’eau. La télédétection lidar topobathymétrique constitue une solution adéquate en assurant une représentation continue des zones terre-eau, matérialisée par des nuages de points 3D et des formes d’ondes 1D. Cependant, une pleine exploitation de ces données requiert des outils encore en attente de développement. Cette thèse présente plusieurs méthodes d’extraction de connaissances des données lidar topo-bathymétriques, incluant des approches de classification basées sur des nuages de points bi-spectraux et des formes d’ondes bispectrales. En outre, des réseaux de neurones profonds sont conçus pour la segmentation sémantique, la détection et la classification d’objets, ainsi que l’estimation de paramètres physiques de l’eau à partir des formes d’ondes bathymétriques. L’utilisation de modèles de transfert radiatif guide des approches visant à réduire la nécessité de données labélisées, améliorant ainsi le traitement des formes d’ondes lidar dans les eaux très peu profondes ou turbides.

L’éclogitisation est un processus emblématique des zones de subduction continentales. Elle fait intervenir aussi bien la transformation de l’assemblage minéralogique, une modification de rhéologie et de perméabilité, une interaction entre fluides et roche, et une déformation tantôt visqueuse, tantôt cassante, susceptible de causer des séismes. L’étude des couplages entre réactions métamorphiques, déformation et fluides est donc cruciale pour comprendre la nature et la rhéologie de la croûte continentale inférieure lorsque celle-ci atteint des conditions de haute pression. Cette thèse a pour objet l’étude de ces couplages, à travers un cas de terrain précis : l’éclogitisation de la granulite de l’île d’Holsnøy, une partie aujourd’hui exhumée de l’ancienne croûte inférieure de la chaîne de montagnes calédonienne, dans les Arcs de Bergen à l’ouest de la Norvège. L’observation des structures sur le terrain révèle que la déformation et la circulation de fluides sont les moteurs de l’éclogitisation de la croûte inférieure. Cependant, l’évolution temporelle et les conditions de pression des zones éclogitiques sont toujours énigmatiques. Au cours de cette thèse, je me suis donc appliqué à comprendre comment les rétroactions entre transformation métamorphique, transport de fluides et déformation peuvent expliquer l’évolution spatio-temporelle des zones éclogitiques d’Holsnøy. Cette thèse est structurée en trois chapitres principaux, qui correspondent à deux articles scientifiques déjà publiés, et un troisième en préparation. Dans un premier temps, j’ai réalisé une étude pétrologique détaillée d’une bande de cisaillement éclogitique de Holsnøy, afin de déterminer les changements minéralogiques et texturaux qui transforment la granulite en éclogite au cours des réactions métamorphiques successives. Ces observations révèlent que les premières réactions affaiblissent la granulite, et les dernières réactions restaurent en partie la résistance de la roche. J’ai élaboré un modèle numérique qui illustre que ce mécanisme d’affaiblissement transitoire, associé à la circulation de fluides, contribue à l’élargissement des bandes de cisaillement au cours du temps. Dans un deuxième temps, j’ai élaboré un modèle numérique pour étudier comment l’apport épisodique de fluides pressurisés peut propager l’éclogitisation dans la granulite, même si elle est imperméable. Je montre qu’il existe une rétroaction positive entre circulation de fluides et éclogitisation : un apport de fluides provoque l’éclogitisation, et cette réaction densifie la roche, ce qui génère de la porosité, favorisant ainsi la circulation de fluides. Un front hydro-réactif peut donc se propager rapidement dans la granulite imperméable et causer son éclogitisation. Le couplage fluides-réaction est donc un processus plausible d’évolution des zones éclogitiques de Holsnøy. Afin de réunir les résultats des deux premiers articles, j’ai pour finir complété le modèle précédent afin de prendre en compte la déformation ainsi que les effets rhéologiques de l’éclogitisation. Cette étude montre que la déformation dans un milieu rhéologiquement hétérogène peut générer des variations locales de pression de plusieurs kbar. Celles-ci peuvent expliquer la juxtaposition de roches de faciès métamorphiques différents au même niveau crustal. La circulations de fluides peut toutefois affecter ces variations de pression.

Grâce à des études de terrain et de laboratoire portant sur des échantillons d'eaux, de sols et de végétaux, ce travail a permis d'analyser les déclencheurs (paramètres et processus) (1) géochimiques et (2) biologiques de l'absorption des terres rares (REE) par les plantes. Ces éléments ont d’abord été examinés à l'aide d'échantillons de terrain prélevés sur trois anciens sites miniers au Portugal. Les sites miniers, où les REE et d'autres métaux sont facilement solubilisés par les drainages miniers acides (DMA), constituent des cibles idéales pour identifier les effets de la physiologie des plantes et la sélectivité biologique des plantes pour des REE particulières. Les plantes prélevées sur ces sites ont montré des signatures en REE similaires aux concentrations de REE dissoutes presentes dans les eaux de surface locales; ce qui nous a conduit à nous interroger sur la nature des interactions à l'interface minéral-eau, responsables de la solubilisation des REE dans ces systèmes. En utilisant le schéma d'extraction séquentielle de type BCR pour caractériser les REE associées au sol, l'étude réalisée a ensuite permis de comparer la signature des REE dans les tissus végétaux aux signatures dans différentes phases organiques et minérales du sol. Des études antérieures ont affirmé que seules phases minérales dissoutes ou échangeables et liées aux carbonates contiennent des REE potentiellement biodisponibles. Notre étude a démontré que les fractions oxydables et réductibles peuvent contribuer de manière unique au pool de REE solubles dans les systèmes de DMA. L'un des résultats de cette étude a montré une augmentation mineure de la quantité de REE échangeables et liées au carbonate dans les échantillons prélevés dans la rhizosphère par rapport aux échantillons prélevés dans les sols globaux. Un nombre croissant de spécialistes du domaine, cite l'importance des matières organiques exogènes associées à l'acquisition de nutriments par les plantes, en influençant la solubilité et l'absorption des métaux nutritifs traces dans la rhizosphère. Nous avons ainsi proposé hypothèse selon laquelle le stress nutritif subi par la plante pourrait induire une exsudation de phyto-chélatants qui augmenterait l'absorption et la bioconcentration des REE. Cette hypothèse permet d’expliquer les différences observées dans l’absorption des REE selon les différents types de plantes et schémas d'acquisition des nutriments.

Les glissements de terrain sont des aléas naturels difficilement prévisibles, causant énormément de dommages et coutant des vies. Il est ainsi vital de mieux comprendre ces phénomènes, et plus particulièrement leurs éléments déclencheurs, pour mieux estimer et prévenir les risques de glissements. D’autres catastrophes naturelles et évènements extrêmes – telles que les tremblements de terre ou les typhons – sont souvent considérés comme étant à l’origine des glissements. L’effet des typhons sur le déclanchement des glissements est investigué à travers de l’exemple du typhon Morakot, qui a frappé Taiwan en aout 2009, et est à l’origine de plus de 10 000 glissements. L’impact de ce typhon est estimé via la modélisation de différents mécanismes à l’oeuvre. Les effets déstabilisants de l’infiltration des précipitations ainsi que des dépressions atmosphériques sont évalués le long de versants 2D, en modélisant la diffusion de pression de pore qu’ils génèrent. En second lieu, un modèle de stabilité de pente 3D est présenté, permettant de regrouper les points instables en glissements en fonction de leur direction de rupture. Enfin, la variation des nappes générée par le typhon est modélisée sur un bassin versant, et le modèle de stabilité 3D est mis à profit pour en étudier l’effet déstabilisateur.

Les réactions redox impliquant l’oxygène dissous (OD) sont les plus énergétiques et offrent une source majeure d'énergie pour la biosphère profonde. La capacité des milieux fracturés à transporter rapidement des eaux oxygénées de la surface vers la profondeur permet le maintien d’une hydrosphère oxique profonde (HOP) jusqu’à présent négligée. Cette thèse porte donc sur l’origine, la dynamique et les conséquences de cette HOP. Dans un premier temps, nous établissons un cadre conceptuel pour identifier les facteurs qui contrôlent le transport réactif de l’OD à l’échelle d’un bassin versant. Nous développons un modèle d’interactions eau-roche afin de prédire la profondeur de l’HOP. Ce modèle est ensuite utilisé pour expliquer l’occurrence d’une HOP dans les premiers 300 mètres de profondeur de l’Observatoire de la Zone Critique de Ploemeur. Nous étudions le δ18O de l'OD au sein de l'HOP afin d'identifier la distribution des processus biotiques et abiotiques qui contrôlent la réactivité de l'OD dans le bassin versant. Dans un deuxième temps, nous développons deux expériences in-situ pour explorer les conséquences de l’HOP sur le fonctionnement biogéochimique de la subsurface. Grâce à un test de traçage réactif à l'OD et une expérience d'incubation de minéraux, nous démontrons, respectivement, la réponse de la biomasse planktonique et de celle attachée aux minéraux aux dynamiques oxiques-anoxiques de la subsurface. Ces travaux mettent en lumière une HOP dans laquelle les processus biogéochimiques souterrains sont sensibles aux dynamiques hydrologiques de surface impliquant le transport de l'OD, remettant ainsi en question le paradigme de la biosphère profonde en tant que système inertiel et anoxique.

Le Paléogène du Bassin de Paris est un cas extrêmement intéressant de système « Source-to-Sink » : les bassins versants amonts sont des plateaux étagés de faible altitude soumis à une intense altération chimique, évoluant à un système en dépôt faiblement subsident (200m en 35Ma) constitué de grands domaines palustro-lacustres et de domaines marins semi-ouverts, terrigènes ou carbonatés. L’intérêt porté à l’étude du Paléogène de bassin de Paris est associé à la définition d’un modèle géométrique en 3D de la zone d’étude du Référentiel Géologique de la France (RGF), porté par le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), et qui vise à améliorer la compréhension du Cénozoïque du bassin de Paris. Par l’utilisation d’une méthode de travail basée sur les principes de la sédimentologie de faciès, de la stratigraphie séquentielle et d’une base de données diagraphique, ce projet de thèse vise à (1) caractériser l’évolution géométrique des dépôts du Bartonien en réponse à une déformation intraplaque en contexte géodynamique de faible subsidence et (2) caractériser l’évolution sédimentaire et paléogéographique du Bartonien du bassin de Paris pour proposer une évolution temporelle et spatiale de ce système sédimentaire. A travers l’étude des dépôts Bartonien, nous avons défini la présence d’une discontinuité majeure en « chenaux incisés » entre les dépôts carbonatés lacustres des « Marnes et Caillasses » et les dépôts terrigènes des Sables d’Auvers-Guépelle, associé à une transgression marine majeure, remplissage des « chenaux incisés ». La construction d’un modèle d’âge associé aux données biostratigraphiques ainsi qu’astrochronologique permet de replacer temporellement la continentalisation du bassin et l’incision pré-transgression bartonienne. Une étude approfondie des faciès bartoniens est présentée ainsi que leur répartition géographique au travers de neuf cartes paléogéographiques délimités par différents cycles stratigraphiques définis par l’étude d’affleurements et de corrélations diagraphiques. Ces nouvelles données sont majeures pour la réalisation d’un modèle géologique 3D et pour la compréhension des systèmes hydrogéologiques, l’exploitation des eaux souterraines, la géothermie ainsi que la géotechnique nécessaire à l’aménagement du territoire.

L’ampleur des bouleversements planétaires en cours (« changements globaux ») nous impose de modifier rapidement et drastiquement nos modes de vie, de gestion et d’organisation. A travers cette thèse, nous avons choisi d’aborder une partie des impacts des changements globaux sous le prisme de l’eau ‒ cette ressource se retrouvant à l’interface entre climat, écosystèmes et activités humaines, et dont la diminution multiplie les tensions dans l’espace public. L’objectif de cette thèse a ainsi été de développer une démarche ‒ intégrant modélisation et dimension participative ‒ afin de rendre visible la complexité des systèmes socio-environnementaux et l’impact des changements globaux (actuels et à venir), dans le but d’aider les prises de décision en concertation à l’échelle territoriale. Réalisé en Bretagne, sur le territoire de Lorient Agglomération et des bassins versants du Scorff et du Blavet, ce travail a conduit à l’élaboration d’une démarche en trois temps baptisée « Eau et Territoire » : (1) construction d’une base commune de connaissance sur les enjeux de l’eau et des changements globaux ; (2) co-construction de scénarios prospectifs afin d’identifier des évolutions possibles pour le territoire ; et (3) projection collective dans les futurs possibles du territoire afin d’identifier des trajectoires souhaitables. S’il n’est pas possible d’évaluer dès aujourd’hui l’impact de cette démarche sur les futures prises de décisions, elle aura au moins permis d’offrir un espace d’échange et de participation pour concevoir la complexité du système et d’envisager collectivement des leviers d’adaptation.

Dans les anciens orogènes, déterminer avec précision l’évolution pression–température–temps (P–T–t) des roches métamorphiques est important pour estimer la vitesse des processus menant à la formation de la chaîne de montagnes. Cependant, l’interprétation des âges obtenus pour ces roches, spécifiquement les âges sur zircon, fait débat. En effet, le comportement de ce minéral, pourtant le plus fréquemment daté, est assez peu compris, et relier sa cristallisation à une portion du chemin P–T est une tâche délicate. L’étude de deux séries d’échantillons collectés dans la région de Nordfjord-Stadlandet (Région des Gneiss de l’Ouest, Norvège) permet d’apporter de nouveaux éléments quant aux contraintes d’âges sur le métamorphisme de haute pression. Le zircon montre des résultats sensiblement différents entre les affleurements : pour l’un, un seul âge concordant a été obtenu, tandis que pour le second affleurement, les analyses sur zircon révèlent de nombreuses dates, couvrant environ 40 Ma. Dans les deux affleurements, les éléments de diagnostics usuels (partage des terres rares entre grenat et zircon, thermométrie sur éléments traces) ne permettent pas de relier ces âges à des portions bien définies des chemins P–T déduits pour les roches étudiées. Les âges sur zircon ne font sens et ne peuvent être intégrés à l’évolution P–T que grâce à la comparaison avec les âges sur grenat et rutile. De fait, le zircon semble plus prompt à (re)cristalliser après le pic métamorphique, datant donc la décompression et le refroidissement. Cette étude présente aussi une nouvelle évidence naturelle du découplage entre le lutécium et l’hafnium dans le grenat, vieillissant artificiellement la date Lu–Hf de plusieurs dizaines de millions d’années, et causé par la rééquilibration du grenat lors d’un réchauffement associé à la décompression post-métamorphisme de faciès éclogite. Enfin, d’un point de vue de la géologie régionale, les différences pétrologiques (la zonation absente ou présente dans le grenat, la forme du chemin P–T) et géochronologiques observées entre les échantillons des deux affleurements peuvent suggérer une structure de la zone d’étude plus complexe que celle admise actuellement. L’étude pétrologique d’une des deux éclogites fraîches suggère une compression isotherme de ~15 à 29 kbar, à 600 °C. Cette évolution prograde inhabituelle nécessite de remettre en question l’interprétation habituellement faite de la pression comme indicateur des profondeurs atteintes par les roches, et donc des mécanismes responsables du métamorphisme d’ultra-haute pression dans les zones de convergence.

Dans les aquifères de socle cristallin, les ressources en eau souterraines sont principalement de proche subsurface, marquées par de larges variations horizontales et verticales des propriétés hydrodynamiques. Les chroniques hydrologiques contiennent de l’information sur les propriétés des milieux souterrains dans la partie récession de la série temporelle des débits. Les objectifs de la thèse étaient d’extraire des chroniques hydrologiques les facteurs de vulnérabilité des bassins versants aux étiages (les propriétés hydrodynamiques et leur hétérogénéité), de corréler les propriétés et la lithologie et d’évaluer la réponse des aquifères face aux changements climatiques. Le modèle hs1D décrit les écoulements à l’échelle du versant et a été utilisé pour estimer les propriétés hydrodynamiques de 79 bassins versants en Bretagne. Ce modèle a été adapté pour tenir compte de l’hétérogénéité des processus à partir d’une approche à deux versants. Les propriétés calibrées sont alors mises en relation avec la lithologie des bassins versants dans une optique de régionalisation. Cette approche met en avant la présence à la fois d’écoulements lents et rapides sur l’ensemble des bassins versants, contraints par la perméabilité et la diffusivité des versants. Les cartes d’exploration fournissent des informations sur les capacités de stockage des bassins versants. La corrélation des propriétés hydrodynamiques avec la lithologie suggère que les modèles régionaux peuvent être contraints par une quantité de données restreinte malgré la complexité des écoulements des aquifères de socle.