Avec plus de 7000 espèces, les fourmis Myrmicinae constituent l’un des plus grands succès écologiques de l’histoire. Pourtant, leur histoire évolutive reste mal comprise. Le présent travail tente de retracer l’évolution du groupe, par l’étude taxonomique des récentes découvertes de myrmicines fossiles (ambre éocène de l’Oise, ambre miocène de Zhangpu et d’Éthiopie), pour les utiliser comme nouveaux points de calibration. L’approche combine les plus récents outils permettant de mieux considérer les données paléontologiques (taux de diversification, d’échantillonnage, etc.), et leur intégration dans l’analyse phylogénétique (modèle FBD, CladeAge). L’effet des diverses modalités de calibration (calibration à la racine, du groupe-couronne ou à l’origine, modèles de distribution, node-dating vs. tip-dating) sur les estimations des temps de divergence est également testé et discuté. Enfin, l’histoire biogéographique est revue à l’aune des nouvelles occurrences et des résultats phylogénétiques. Le groupe serait apparu dans le Nouveau Monde au Crétacé Supérieur (85-95 Ma), sans toutefois montrer une appartenance plus marquée au Néarctique ou au Néotropique. Les grandes lignées se seraient ensuite rapidement dispersées, en particulier à l’Éocène à travers l’Antarctique, la Béringie et le Greenland. L’extension des latitudes tropicales à la suite d’évènements hyperthermiques (ETM, MECO) auraient permis des dispersions successives entre Nouveau et Ancien Monde, et expliquent la disparité des distributions actuelles, où les lignées basales sont respectivement restreintes au Néarctique-Paléarctique et au Nouveau Monde, tandis que les lignées plus dérivées montrent des distributions plus larges mais plus hétérogènes.

Le Cénozoïque est marqué par un refroidissement global du climat et des périodes glaciaires/interglaciaires qui se sont intensifiées au milieu du Pléistocène passant de cycles de retour de 40 ka à 100 ka. Des observations montrent une augmentation des taux d’érosion globaux à la même période. L’érosion impacte la dynamique des chaines de montagnes en focalisant la déformation. Ainsi, un débat existe depuis 30 ans à savoir quel est l’impact du climat sur l’évolution des chaines de montagnes, contrôlée au premier ordre par la tectonique. Bien que notre compréhension de l’érosion glaciaire et de son impact sur le relief ait significativement augmentée depuis, des ambiguïtés demeurent quant à son rôle dans l’augmentation récente des taux d’érosion. Dans ces travaux de thèse, j’adopte une approche de modélisation numérique pour contraindre d’une part, le rôle de la lithologie sur la distribution spatiale de l’érosion glaciaire, et d’autre part, l’impact du transport glaciaire sur les enregistrements de thermochronologie détritique caractérisant la distribution spatiale de l’érosion. Les résultats montrent que la lithologie contrôle la distribution spatiale de l’érosion, en déterminant la résistance des substrats rocheux à l’érosion, impactant ainsi la morphologie des vallées glaciaires. Le transport glaciaire limite le mélange latéral des sédiments et favorise leur stockage en amont dans les glaciers tributaires montrant de faibles vitesses d’écoulement. Cela impacte les distributions d’âges détritiques thermochronologiques collectés au front des glaciers, en tamponnant la contribution réelle des versants et favorisant la contribution des basses altitudes proches du site d’échantillonnage ; pouvant ainsi mener à des interprétations erronées de la distribution spatiale de l’érosion glaciaire. Ainsi, ces travaux apportent de nouvelles connaissances au débat actuel, ainsi que des perspectives quant à l’apport de la modélisation numérique dans l’évaluation des outils de diagnostic.

Résumé : L'orogène Himalayen-Tibétain, formé principalement par la collision Inde-Asie, représente une interaction complexe de la tectonique, du climat et des processus environnementaux. Cependant, l’évolution paléogéographique et la chronologie de la collision, restent l'objet d'un débat intense. Cette controverse est en partie le résultat d'une sous-étude de la partie orientale de l'orogène Himalayen. L’histoire paléogéographique du Terrane de Birmanie (Myanmar) est particulièrement incertaine mais importante pour une meilleure compréhension de la collision Inde-Asie. C'est pourquoi cette thèse présente des données uniques de paléomagnétisme sur des roches du Crétacé au Miocène de la région du Myanmar. Avec les données sédimentologiques et géochronologiques, ces résultats ont été incorporés dans des reconstructions de la tectonique des plaques pour élucider l'histoire paléogéographique du Terrane de Birmanie lors de la collision Inde-Asie. Les trois principaux résultats sont: (1) le Terrane de Birmanie était situé dans une position équatoriale très éloignée de l'Asie du Crétacé au Paléocène, (2) il a été incorporé à la plaque Indienne au cours du Paléocène, et (3) il s'est ensuite déplacé vers le nord avec la plaque Indienne. Ce déplacement latitudinal explique pourquoi le Myanmar n’enregistre pas de déformation compressive majeure avant la fin de l'Oligocène - début du Miocène. Par contre les bassins sédimentaires du Myanmar reçoivent les produits de l’érosion de la zone de collision. Une exhumation très rapide au niveau de la Syntaxe Est-Himalayenne est mise en évidence dans les sédiments du Miocène inférieur. L'ensemble des données permet de proposer un modèle de collision Inde-Asie avec un Arc Trans-Téthysien, qui comprend le Terrane de Birmanie formé à partir de fragments crustaux du Gondwana. Ce modèle invite à une réévaluation critique de nombreux aspects de l'histoire tectonique régionale et des paléoenvironnements.

Dans les environnements souterrains, un grand nombre de réactions bio-géo-chimiques ont une cinétique essentiellement contrôlée par des bactéries. Dans ces milieux, les flux de nutriments et les concentrations de solutés peuvent être fortement variables dans l'espace et le temps. Ces variations peuvent générer des cinétiques de réaction bio-géo-chimiques qui différent de manière significative des cas mesurés dans les modèles environnementaux homogènes. L’objectif général de ce travail est, à partir d’expériences microfluidiques et en se fondant uniquement sur des observables physiques, de quantifier les couplages entre hétérogénéité de l’écoulement, transport/mélange de solutés, réactions et activité biologique. Nos expériences associées à des modélisations numériques démontrent le couplage du transport de nutriments avec la croissance en surface des bactéries. Des observations à l’échelle des cellules bactériennes et à haut taux d’acquisition démontrent l’effet des gradients de vitesse sur les motifs de colonisation des surfaces par les bactéries dans les premières phases de développement d’une population soumise à un écoulement laminaire. Nous mettons également en évidence une dépendance des caractéristiques de l’attachement des bactéries aux surfaces vis-à-vis de la contrainte cisaillante qu’elles subissent. Cette adaptation influence leur taux de croissance. Enfin, nous développons un cadre d’étude analytique décrivant l’amélioration d’une cinétique de réaction par les processus de mélange.

Les traceurs environnementaux sont des outils pertinents pour la compréhension du cycle de l’eau et particulièrement pour la compréhension de la circulation de l’eau souterraine. L’eau souterraine est en effet invisible à l’homme la plupart du temps et circule dans des milieux géologiques complexes et hétérogènes. Cette ressource subit de graves impacts anthropiques de par sa surexploitation, notamment dans les régions arides. Elle subit également une dégradation de sa qualité chimique, voire bactériologique, par l’utilisation notamment de polluants à la surface du sol. Les stocks d’eau, leur évolution et leur vulnérabilité doivent donc être estimés. La compréhension du cycle de l’eau souterraine est accessible, notamment par l’utilisation de composés chimiques tels que les traceurs environnementaux, qui vont intégrer la molécule d’eau, ou se dissoudre dans l’eau et suivre celle-ci le long de son parcours dans les roches. Une connaissance de l’origine de ces traceurs dans l’eau et de leur évolution, couplée à des techniques analytiques performantes, doivent permettre de reconstituer l’histoire de ces eaux, en termes de temps de résidence, de mélanges, et d’origine géographique. Les gammes d’âges de l’eau estimées par ces traceurs vont de quelques jours à plusieurs millions d’années et couvrent donc la quasi-totalité des eaux présentes dans le sous-sol. Les techniques analytiques ont beaucoup progressé à partir de la seconde moitié du XXeme siècle, pour permettre de mesurer ces traceurs à des concentrations extrêmement faibles, avec des volumes d’eau de plus en plus réduits, permettant ainsi leur démocratisation dans la communauté scientifique mondiale. Les modèles d’interprétation de ces traceurs se sont également beaucoup développés afin de mieux prendre en compte les processus advectifs, dispersifs et diffusifs de l’eau et des traceurs associés.

Les échanges entre les rivières et les nappes d’eau souterraine jouent un rôle essentiel dans le maintien des écosystèmes aquatiques. Or, leur caractérisation demeure difficile du fait de leur forte variabilité dans l’espace et dans le temps. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse est de développer des méthodes actives de mesures distribuées de température pour quantifier la dynamique des interactions nappe/rivière. Après avoir établi une nouvelle approche pour évaluer la résolution spatiale des mesures de température, nous avons validé deux nouvelles méthodes d’interprétation permettant d’estimer de manière distribuée les flux d’eau et la conductivité thermique du milieu poreux. Les travaux, associant modélisations numériques et mesures expérimentales en laboratoire, montrent que les méthodes d’interprétation développées permettent d’estimer avec une excellente précision les écoulements et que la gamme de flux pouvant être investiguée est particulièrement large. Pour tester cette approche prometteuse, des expériences actives ont ensuite été réalisées sur le terrain dans deux environnements différents : d’abord dans un petit cours d’eau d’ordre 1 de tête de bassin versant, puis dans un fleuve s’écoulant le long d’une plaine alluviale. Ces applications ont démontré le fort potentiel des méthodes actives pour quantifier les écoulements à l’interface nappe/rivière et décrire leur variabilité spatiale et temporelle. La comparaison des résultats obtenus sur les deux sites a permis finalement de discuter la faisabilité, les apports mais aussi les limites de la méthode dans différents contextes hydrologiques.

La période fini-paléozoïque est l'époque de grands changements géodynamiques, matérialisés par la fin de l'accrétion de la Pangée et le début de son démantèlement, et une transition climatique majeure d'un climat icehouse à greenhouse sur une Terre présentant une biosphère présentant une structuration quasi-analogue à l'actuelle. Étant donné ces grandes modifications, des changements paléoenvironnementaux sont observés dans les bassins sédimentaires tardi-orogéniques fini-carbonifères à permiens, notamment en Europe de l'Ouest, et particulièrement en France, au nord-est du Massif central, relique de l'orogenèse varisque. Aujourd'hui, ces bassins sont difficiles à étudier du fait de leur préservation incomplète, et sont essentiellement disponibles via des données de subsurface, avec de rares affleurements. De plus, le cadre géochronologique dans lequel ils s'inscrivent est peu contraint. Ce travail de thèse s'est donc proposé dans un premier temps de réévaluer l'ensemble des données disponibles : la première étape a été de préciser le cadre géochronologique des séries préservées afin de replacer précisément ces bassins dans leur contexte géodynamique via des datations U-Pb sur des niveaux de cendres volcaniques altérées. Les résultats fournissent des âges centrés sur la limite Carbonifère-Permien et sur le début du Permien. Le cadre sédimentologique a ensuite été précisé, mettant en évidence la présence de dépôts essentiellement subaquatiques (lacustres et deltaïques) et parfois subaériens (plaines d'inondation) avec des dépôts de charbon et de matière organique bien préservés, soulignant un contexte climatique relativement humide. Une étude plus poussée sur la matière organique a permis de préciser les environnements de dépôt et de mettre en évidence des modifications locales dans les cycles du carbone et de l'azote. La caractérisation minéralogique des assemblages argileux a souligné des changements locaux du régime de précipitations au cours du temps. Enfin, une étude cyclostratigraphique ayant pour but de préciser le cadre temporel haute-fréquence a permis également de souligner un rôle plus global du climat dirigé par les cycles astronomiques, permettant de mieux comprendre les processus de remplissage des bassins et de les replacer dans un cadre climatique de plus grande échelle. Nous disposons donc maintenant de coupes de référence pour la transition Carbonifère-Permien en domaine continental d'Europe de l'Ouest, étudiées par une méthode multi-proxies dont l'intégration des résultats nous permet d'approcher des conditions environnementales et climatiques d'échelle locale, voir globale.

Dans les systèmes naturels, les hétéro-agrégats organo-minéraux fer-matière organique (Fe-MO) jouent un rôle clé dans la dynamique des polluants. Leur capacité à adsorber les métaux et métalloïdes dépend de leur organisation structurale, elle-même contrôlée par les conditions physico-chimiques dans l’environnement. Le calcium (Ca) et l’aluminium (Al) sont des cations majeurs qui peuvent interagir avec la MO et/ou le Fe. Leur impact sur la structure des agrégats Fe-MO et, par conséquent, sur leur réactivité peut donc s’avérer important. En présence de Ca et d’Al, l’organisation structurale des associations Fe-MO évolue d’un état colloïdal vers un réseau micrométrique dont les connexions sont assurées soit par des dimères de Ca, soit par des monomères, oligomères ou hydroxydes amorphes d’Al. Le Fe(III) est organisé sous forme d’oligomères et de nanoparticules de type ferrihydrite (Nps-Fh). La taille et la proportion des Nps-Fh augmentent avec l’augmentation de la concentration en Ca ou Al en réponse à la diminution des liaisons Fe-MO ; cette diminution étant due, à la formation de liaisons Ca-MO ou Al-MO. La présence du Ca contrôle la réactivité des phases de Fe vis-à-vis de l’arsenic. En limitant les interactions entre la MO et les Nps-Fh, le Ca augmente la disponibilité des sites d’adsorption pour l’arsenic. Ces résultats apportent une nouvelle vision du rôle des hétéro-agrégats de Fe-MO dans la mobilité des éléments chimiques. Celle-ci apparait plus limitée qu’attendu, en raison de la formation d’un réseau Fe-MO micrométrique.

Les interactions fluide-roches sont des processus omniprésents sur la planète et notamment dans les environnements de divergence lithosphérique, des marges hyper-étendues jusqu’à l’axe des dorsales océaniques. Dans de tels environnements, les roches de la lithosphère profonde sont exhumées au plancher océanique à la faveur de failles de détachement. Parallèlement, un magmatisme s’instaure suite à la fusion partielle asthénosphérique. Le couplage des processus tectoniques et magmatiques entraîne la circulation d’eau de mer dans les roches du manteau qui s’exhument. Cela conduit à l’altération des roches sous différentes formes telles que : i) la serpentinisation des roches du manteau, ii) la formation de systèmes minéralisés riches en Cu, Zn, Fe, Co, Au, Ag et iii) la carbonatation des roches du manteau. Les minéralisations reconnues dans les environnements océaniques actuels représentent un enjeu technologique, économique et sociétal crucial. Par conséquent, l’étude de ces systèmes est indispensable pour comprendre comment et où ils se forment. Cependant, dans les domaines actuels, la reconnaissance de ces altérations est limitée par les conditions d’observation au plancher océanique. Il devient alors impératif de se tourner vers les systèmes fossiles exposés à terre, dans les chaînes de montagne, pour étudier les processus hydrothermaux à l’origine de la formation des minéralisations. Cette stratégie a été adoptée dans ce travail de thèse à travers l’étude d’’une ophiolite téthysienne préservée dans les Alpes suisses. La déformation et le métamorphisme alpin n’ont eu que peu de conséquences sur les structures et altérations océaniques. Des minéralisations sulfurées similaires à celles reportées aux dorsales océaniques sont présentes dans la nappe là où le budget magmatique a été suffisant pour enclencher des circulations de haute température. Les minéralisations montrent quelques particularités ; présence de Fe-Ca-silicates, association des minéralisations avec des intrusifs mafiques ; diagnostics d’une position structurale profonde. L’évolution des traceurs géochimique (Se, Co/Ni) et minéralogiques de la minéralisation suggèrent qu’elle résulte du mélange entre un fluide hydrothermal et l’eau de mer. Postérieurement, les roches mantelliques et les basaltes ont subi une carbonatation à partir d’un fluide d’origine marine sous des conditions hydrothermales de 90-130°C. Cette carbonatation, se produisant durant une tectonique extensive active, résulte du mélange entre un fluide issu de la serpentinisation et l’eau de mer. Ces différentes altérations des roches du manteau dans la nappe de Platta montrent la richesse des interactions fluides-roches dans les marges hyper-étendues.

Les fractures sont des structures géologiques omniprésentes contrôlant les propriétés hydrauliques et mécaniques des roches. La modélisation numérique des réseaux de fractures constitue donc une étape indispensable pour la simulation du comportement physique des massifs fracturés, dans de nombreuses applications industrielles telles que le stockage de déchets nucléaires. Dans la plupart des cas, l'observation directe du volume fracturé n'est pas possible et les fractures ne peuvent être modélisées de manière déterministe. Les modèles stochastiques permettent de générer des réseaux en trois dimensions, statistiquement équivalents aux mesures et observations, mais négligeant les corrélations spatiales issues du processus chronologique de fracturation. D’autre part, les modèles purement mécaniques demandent des ressources numériques trop importantes pour modéliser des réseaux de telles densités. L’objectif de cette thèse repose sur le développement de modèles génétiques, permettant de modéliser des réseaux de fractures multi-échelles, denses, à partir de lois simplifiées issues de la mécanique de la fracturation. Le processus de fracturation peut ainsi être décomposé en trois étapes : nucléation, propagation, et arrêt des fractures. Dans ces travaux, nous montrons que l’organisation spatiale et les lois d’échelle des réseaux ainsi générés résultent de ces processus. Nous quantifions ces corrélations à l’aide d’outils mathématiques issus de la théorie fractale, et déterminons leur impact sur les propriétés de connectivité des réseaux générés. Enfin, une étude plus fine des propriétés mécaniques des fractures telle que la friction, ainsi que des conditions limites en contraintes à l’origine de leur développement, montre l’importance de leur intégration dans le processus de modélisation génétique.