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.

Le bassin rennais n’est pas épargné par le changement climatique. Les conditions inhabituelles fragilisent déjà le système d’alimentation en eau potable du territoire. Mais qu’en sera-t-il dans le futur ? Les gestionnaires d’Eau du Bassin Rennais ont besoin d’outils pour prédire l’évolution des ressources en eau en amont des ouvrages de captages. Pour y répondre, la démarche de modélisation hydro(géo)logique développée, adaptée au contexte géologique de socle en Bretagne, s’est concentrée sur les relations entre la nappe d’eau souterraine et les cours d’eau. En se basant sur le réseau hydrographique de surface, une méthode de calibration des modèles a été innovée pour estimer les propriétés de la subsurface. L’approche de modélisation basée sur les processus hydrogéologiques reproduit l’intermittence des cours d’eau, indicateur de la résilience des bassins versants. Une fois la calibration validée, les modèles hydrogéologiques sont forcés par de multiples projections climatiques, allant de 1980 à 2100, et selon différents scénarios d’émission de gaz à effet de serre (RCP). Ces simulations hydrologiques fournissent une enveloppe de trajectoires probables d’évolution future du stock d’eau souterraine, du débit des cours d’eau, et de l’intermittence du réseau hydrographique. De manière générale, les projections prévoient une extension des périodes de déficit en eau, avec une occurrence accrue d’années de sécheresses consécutives. Les connaissances apportées et les outils opérationnels développés dans le cadre de cette thèse permettent, d’une part, de progresser sur des questions de recherches en plein essor, et d’autre part, d’offrir de nouvelles perspectives d’anticipation et d’optimisation des stratégies de gestion de l’eau, à l’échelle du territoire.

La matière organique naturelle (MON) est omniprésente dans l’environnement, et joue un rôle crucial dans le cycle biogéochimique du carbone (C) et d’autres éléments. Elle comporte des groupements fonctionnels acido-basiques carboxyliques (COOH) et phénoliques (PhOH), lui conférant de multiples propriétés : solubilité, capacité à complexer des métaux, ou à s’associer avec des minéraux. Ces phénomènes jouent un rôle majeur sur le stockage du C dans les sols et sur le transport et la biodisponibilité ou toxicité des métaux. Cette thèse vise à caractériser la réactivité de la MON en quantifiant ses groupements COOH et PhOH. La première partie est dédiée à la mesure de leurs teneurs par des dosages acidobasiques potentiométriques améliorés. Ces résultats ont permis d’établir, dans la seconde partie, une méthode basée sur la spectrophotométrie d’absorption dans l’UVvisible, quantifiant ainsi les groupements COOH et PhOH aux faibles teneurs environnementales de MON. Utilisant ces nouveaux outils les mécanismes régissant les interactions entre la MON et un oxyhydroxyde de fer (la goethite) ont été étudiés dans la dernière partie. Un fractionnement variable entre COOH et PhOH à la surface du minéral a été quantifié en fonction de paramètre environnementaux majeurs comme le pH, la concentration en MON et en NaCl. Cette thèse apporte donc de précieuses informations pour mieux comprendre et prédire la formation d'assemblages organo-minéraux et leurs interactions avec d'autres éléments tels que les contaminants dans l’environnement.

Les brèches sédimentaires proviennent d’une grande diversité de processus physiques. L’identification de ces processus de formation est cruciale pour les replacer dans un contexte paléoenvironnemental et géodynamique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux processus de formation et de préservation des brèches sédimentaires colluviales dans un contexte extensif, en comparant un système récent crétois et un système ancien pyrénéen. Les résultats de terrain, associés à une approche par modélisation analogique, montrent que lorsque les brèches sédimentaires de cône colluvial sont préservées, elles correspondent à des dépôts syntectoniques de bordure de bassins extensifs et peuvent être ainsi considérées comme un indicateur sédimentaire du stade initial de l'extension continentale. Une nouvelle nomenclature est aussi proposée pour les faciès de brèches sédimentaires de cône colluvial typiques des processus de chute de pierre, d'éboulement et de glissement rocheux. Enfin cette première étude a permis de mettre en évidence l'importance d'une phase tectonique extensive au Jurassique supérieur dans les Pyrénées Orientales. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l'évolution diagenétique et la datation des brèches du flanc sud du synclinal du Bas Agly au NE des Pyrénées. Ces brèches ont été le sujet de nombreuses controverses quant à leur âge, leur genèse et leur contexte paléoenvironnemental. Cette étude nous a permis d’apporter un éclaircissement sur l’évolution tectonique et paléogéographique du domaine NE pyrénéen. Plus largement nous proposons des pistes méthodologiques d’analyse des brèches sédimentaires dans l’optique d’éclaircir leur signification géodynamique.

Les déchets plastiques s’accumulent dans tous les compartiments environnementaux, et cette présence suscite un vif intérêt de la part de la communauté scientifique. Pourtant, leur étude dans les sols n’est que très récente par rapport aux rivières et océans. Ce travail de doctorat s’est donc concentré sur le comportement des micro- et nanoplastiques et des contaminants associés issus de l’amendement en compost de déchets ménagers, enrichi en débris plastiques dans un sol agricole. Les microplastiques collectés dans le sol ont un degré d’altération avancé qui favorise la libération de petites particules plastiques telles que les nanoplastiques. Afin de les identifier, une méthode d’extraction /identification a été développée et a prouvé pour la première fois la présence de nanoplastiques composés des trois polymères les plus courants dans la couche de surface du sol. Il a ensuite été démontré que ces nanoplastiques étaient présents dans les couches minérales en profondeur alors que les microplastiques n’étaient présents que dans la profondeur de labour. Les nanoplastiques sont donc mobiles dans les sols et ont la capacité d’atteindre les nappes d’eau souterraines sous-jacentes. Enfin, le rôle de déchets plastiques dans la contamination concomitante en métaux relevée dans le sol a été étudié. Les plus fortes concentrations correspondent aux métaux utilisés comme additifs dans la formulation des plastiques mais les plastiques n’ont pu être mis en cause avec certitude dans la contamination du sol. Les métaux et leur signature isotopique représentent cependant de bons candidats pour le traçage des nanoplastiques dans les matrices naturelles complexes.

Les systèmes environnementaux sont et seront davantage affectés par les évolutions climatiques. Prédire les dynamiques futures en lien avec le changement climatique de ces objets complexes est nécessaire et représente un enjeu considérable pour la communauté scientifique afin d’accompagner les politiques publiques dans leurs décisions. C’est dans ce contexte que des outils et méthodes ont été développés pour répondre à ces enjeux. Les travaux présentés dans cette thèse s’articulent principalement autour des résurgences d’eau souterraine et l’impact qu’elles peuvent avoir sur les systèmes côtiers à faibles altitudes. Au-delà de leur caractérisation, il est aussi question de montrer l’intérêt de les considérer pleinement dans les processus du cycle hydrologique à travers le contrôle qu’elles exercent sur les circulations souterraines. Les différentes études de cette thèse ont démontré que la modélisation des résurgences d’eau souterraine est nécessaire pour caractériser l’évolution future des zones vulnérables en contexte côtier et de changement climatique. Dans des contextes différents, ces résurgences sont très utiles pour la caractérisation des aquifères par la possibilité de les utiliser comme données de référence pour estimer les propriétés hydrodynamiques.