Les zones humides (ZH) jouent un rôle majeur dans le contrôle du devenir des contaminants dans l’environnement. Elles sont soumises à des périodes de saturation en eau qui induisent des variations des conditions redox dans les sols. Ces cycles redox contrôlent la spéciation de Fe et des éléments associés, i.e. la matière organique (MO). Si plusieurs études ont étudié les principales formes minérales, colloïdales et solubles du Fe dans les ZHs, de nombreuses incertitudes subsistent quant aux mécanismes qui contrôlent leur formation et leur évolution. En cela, l’isotopie du fer constitue un outil intéressant pour étudier ces processus. Cependant, avant d’être utilisé comme proxy, la signature isotopique du Fe pour un processus donné doit être identifiée. Ce travail de thèse s’est donc focalisé sur la signature isotopique des agrégats Fe-MO dans les ZH. Afin d’étudier la composition isotopique des différentes espèces constitutives de ces agrégats, nous avons utilisé l’ultrafiltration à différents seuils de coupure. La première étape a été de vérifier que l’ultrafiltration ne fractionnait pas les isotopes du Fe. Puis, une série d’expériences a été réalisée pour déterminer la signature isotopique du Fe particulaire, colloïdal et sous forme de complexes solubles dans ces agrégats Fe-MO. Les résultats ont démontré que l’hydrolyse abiotique ne fractionnait pas les isotopes du Fe. Au contraire, la complexation du Fe par les ligands OH- ou organiques qui complexent préférentiellement les isotopes lourds du Fe, contrôlent sa signature isotopique et imposent une signature aux formes particulaires et colloïdales. Ce mécanisme a ensuite été testé dans un sol de ZH soumis à 3 cycles oxie/anoxie successifs puis à des données de terrain. La liaison préférentielle des isotopes lourds du Fe aux ligands bactériens contrôle la signature isotopique du Fe à long terme. Cependant, les flux d’eau de sub-surface dans la zone humide, minimisent l'impact de ce mécanisme sur la composition isotopique en Fe de la solution de sol.

La région intracontinentale du Tian Shan (Asie Centrale) est une zone clé pour comprendre l’évolution long terme des continents en général et de l’Asie en particulier. Si son évolution géodynamique paléozoïque et cénozoïque est assez bien comprise et caractérisée par une succession d’orogénèses, son histoire Mésozoïque reste quant à elle assez mal contrainte. Le Jurassique est une période particulière au sein de ce contexte globalement compressif. En effet, à la fin du Trias l’Eurasie était largement entourée par des zones de subductions conduisant à de l’extension au Jurassique inférieur – moyen au sein du domaine Caspien/Turan à l’ouest et à de l’extension Jurassique – Crétacé au sein des domaines Sibérie – Mongol à l’est. Néanmoins, l’évolution paléogéographique et cinématique Jurassique de la région du Tian Shan, correspondant probablement à une zone de relais entre ces deux domaines dominés par de l’extension, sont encore mal comprises. Pour ce faire, nous avons mené des analyses sédimentaires sur différents bassins associés à la chaîne du Tian Shan et compilé les différentes données disponibles afin de caractériser l’évolution des environnements de dépôts et des conditions climatiques au cours du temps. En parallèle, nous avons effectué des études géomorphologiques et compilé les données de thermochronologie basse température pour reconstruire l’évolution paléotopographique de la région du Tian Shan. Durant le Jurassique inférieur - début du Jurassique moyen, l’évolution topographique du Tian Shan était dominée par l’aplanissement progressif d’un relief Paléozoïque supérieur à Mésozoïque inférieur, localement réactivé par des évènements tectoniques éphémères. La sédimentation, dans les bassins bordants la chaîne et dans les bassins intra- montagneux était caractérisée par des dépôts alluviaux à lacustres déposés dans des conditions humides. Durant cette période, la région du Tian Shan était dominée par de la tectonique compressive à décrochante. A l’ouest, le Sinémurien – Pliensbachien marque le début de la sédimentation dans le bassin de Yarkand-Fergana. A cette période, une activité tectonique le long de la faille de Talas Fergana/Karatau conduisit à l’ouverture du bassin de Yarkand-Fergana sous forme d’hémi-graben. L’extension, et donc l’ouverture du bassin, a persisté durant le Jurassique moyen. Ces épisodes de déformations et leurs chronologies ne peuvent pas être liés à la collision du bloc de Qiangtang, mais peuvent être associés à l’extension induite par la subduction de la Néo-Téthys affectant les domaines Caspien/Turan à l’ouest. Nous proposons que le champ de contrainte extensif induit par la zone de subduction de la Néo-Tethys ait également joué un rôle majeur en contrôlant l’évolution topographique et cinématique tardi Jurassique inférieur – moyen de la région du Tian Shan. Pendant la période tardi Jurassique moyen – Jurassique supérieur, peu d’indices de déformations existent dans le Tian Shan mais également dans les domaines Caspien –Turan. Nous proposons que la période de la fin du Jurassique moyen – début du Jurassique supérieur corresponde à une période de relative quiescence tectonique. Enfin, la transition Jurassique – Crétacé est marquée par une réactivation tectonique conduisant à l’inversion du bassin de Yarkand-Fergana et à la création de relief localisé dans la chaine du Tian Shan.

Les bactéries de la famille des Gallionellaceae (β-proteobacteria) oxydent le fer dissous à pH neutre pour alimenter leur métabolisme énergétique. Ces bactéries sont endémiques des habitats microaérobies, où elles peuvent rivaliser avec l'oxydation abiotique rapide du fer par l'oxygène. Elles sont ainsi retrouvées généralement dans les zones d’interfaces entre l’atmosphère et un compartiment anoxique riche en fer, tel qu’une résurgence d’eau souterraine. Pourtant ces cinq dernières années, de plus en plus d’études attestent de la présence des Gallionellaceae en profondeur dans certains milieux souterrains, à des profondeurs où ils sont généralement considérés comme anoxiques. Dans plusieurs de ces milieux, comme par exemple certains aquifères du massif armoricain (Bretagne, France), les Gallionellaceae semblent même dominer les communautés microbiennes présentes. Cela suggère que non seulement il existe des zones d’interface en profondeur dans ces aquifères entre un compartiment contenant de l’oxygène et un compartiment anoxique riche en fer, mais aussi que ces zones d’interfaces peuvent avoir un rôle prépondérant dans le maintien des populations microbiennes en profondeur. L’objectif de cette thèse était ainsi d’explorer la diversité et l’écologie des Gallionellaceae au sein des milieux souterrains, afin de mieux comprendre le fonctionnement biogéochimique global de ces milieux. Une approche pluridisciplinaire, faisant intervenir des analyses métagénomiques et hydrogéochimiques, a été privilégiée pour répondre à cet objectif.

Les facteurs qui régissent l'intensité et la répartition de la recharge naturelle et artificielle dans les aquifères cristallins altérés et fracturés sont mal connus. Ce sont cependant les caractéristiques déterminantes de ce type de roche—ces roches sont très hétérogènes—qui rendent difficile l’estimation des flux dans ces milieux ainsi que des propriétés hydrauliques qui les contrôlent. La première partie de ce manuscrit fournit un état des connaissances sur la recharge des eaux souterraines et ses méthodes d’estimation, permettant de comprendre les défis scientifiques et sociétaux abordés dans cette thèse. La deuxième partie présente les travaux numériques et expérimentaux menés pour approfondir notre compréhension de la dynamique des flux d’eaux souterraines dans ces milieux hétérogènes à plusieurs échelles. Le premier axe de recherche porte sur les processus de recharge naturelle à l’échelle du bassin versant. La recharge diffuse a été modélisée avec un modèle physique simple d’infiltration et comparée à des estimations préalables de recharge totale. Nos résultats illustrent la forte dépendance de la recharge aux précipitations et à l’irrigation, et l’importance de la recharge focalisée. Les facteurs responsables de la distribution spatiale de la recharge sont aussi étudiés. Le deuxième axe est basé sur le suivi de la mise en eau d’un bassin de recharge artificielle dans un site hautement monitoré et bien équipé. Ces observations ont été interprétées avec des modèles analytiques et numériques. Ces modèles ont mis en évidence l’existence de flux préférentiels horizontaux, mais aussi d’une compartimentation latérale qui entrave la propagation des intrants de recharge.

La chaîne du Mayombe constitue la portion congolaise du système orogénique « Araçuaï-West Congo » qui se répartit entre la marge orientale du Brésil et la marge occidentale de l’Afrique centrale. Elle s’allonge parallèlement au littoral atlantique suivant la direction NW-SE. En tenant compte des données géochronologiques, elle se subdivise en deux domaines lithostratigraphiques : (i) le domaine paléoprotérozoïque et (ii) le domaine néoprotérozoïque. Le domaine paléoprotérozoique de la chaîne du Mayombe correspond à la partie interne de la chaîne et se caractérise par la co-existence des roches d’origine sédimentaire et magmatique déformées et métamorphisées à des degrés variés. Ces roches se répartissent en trois principaux groupes lithologiques : (i) le Groupe de la Loémé, (ii) le Groupe de la Loukoula et (iii) le Groupe de la Bikossi. L’analyse structurale des Groupes de la Loémé et de la Loukoula montre que ceux-ci sont plissés et fracturés. Dans le Groupe de la Loémé les plis présentent des axes qui s’orientent dans les directions NE-SW, NNE-SSW et N-S tandis que dans le Groupe de la Loukoula, le plissement se fait suivant la direction NE-SW. Le Groupe de la Bikossi se caractérise par des plis qui s’orientent dans les directions identifiées dans les précédants Groupes. L’étude géochimique réalisée sur les échantillons provenant du domaine paléoprotérozoïque de la chaîne du Mayombe montre que ce dernier est hétérogénique c’est-à-dire qu’il implique des terrains d’origine et de lithologie variées. La caractérisation pétrologique des ensembles lithologiques des groupes de la Loémé et de la Loukoula montre que ceux-ci sont affectés par au moins deux événements métamorphiques distincts qui se superposent. Le premier événement se traduit par des paragenèses à grenat-biotite-oligoclase dans les métapélites et par le développement de la hornblende brune dans les métabasites permettant ainsi de situer le contexte d’évolution dans le faciès des amphibolites. Le second événement s’enregistre de façon différente dans le Groupe de la Loémé et dans le Groupe de la Loukoula. Il se traduit respectivement par des assemblages à grenat-biotite-oligoclase dans les formtaions du Groupe de la Loémé et par une paragenèse à chlorite-albite-épidote dans le Groupe de la Loukoula. Les échantillons rattachés au Groupe de la Bikossi ne présentent que les traces d’un seul événement métamorphique marqué par les paragenèses à grenat-biotite-muscovite et grenat-chloritoïde-chlorite avec une température oscillant entre 510-568°C pour une pression d’environ 8 kbar. La datation U-Pb sur zircons a permis de : (i) définir les sources des matériaux détritiques ayant constitué les bassins évoluant de l’Archéen au Protérozoïque (3300-1500) ; (ii) de confirmer l’âge paléoprotérozoïque (2070-2040 Ma) du magmatisme éburnéen ainsi que l’âge néoprotérozoïque (925 Ma) des granites de type Mfoubou et Mont Kanda et (iii) mettre en évidence des perturbations du système isotopique U-Pb des zircons à 642 ± 36 Ma et 539 ± 18 Ma. Les analyses 40Ar-39Ar sur biotite, muscovite et amphibole des échantillons du domaine occidental de la chaîne du Mayombe ont fourni des âges qui situent l’événement tectono-thermique pan-africain entre 615 Ma et 496 Ma.

Les zones de convergence sont des objets clés à la compréhension de la dynamique de la lithosphère. Elles sont le siège de déformations majeures comme en témoignent la concentration et l’intensité des séismes qui leur sont associées. A plus grande échelle de temps et d'espace, ces déformations résultent généralement en un empilement d’unités dont l’étude offre l'accès aux différents niveaux structuraux mis en jeu dans l'organisation de la chaîne de montagnes. Caractériser précisément la dynamique de structuration de ces unités ainsi que les paramètres contrôlant cette dynamique constitue une étape cruciale permettant d’aller plus loin, notamment quantitativement, dans notre connaissance de la dynamique lithosphérique. Cette thèse a comme double objectif (1) de préciser le comportement rhéologique des roches aux conditions Pressions-Température P-T du faciès éclogitique au sein de l' interface de subduction et (2) de caractériser et quantifier l' influence de la rhéologie de la plaque supérieure, et plus spécifiquement, le rôle de sa partie crustale, sur l'évolution spatio-temporelle des zones de convergence. Pour cela, une approche multi-disciplinaire a été utilisée. Dans un premier temps, je présente une analyse multi-échelle couplant travail de terrain et de pétrologie métamorphique qui a permis d'étudier la déformation au sein de roches HP-BT à l' interface de subduction au niveau de la klippe du Mont-Emilius (Alpes occidentales, Italie). Je détaille ensuite une étude quantitative alliant modélisation numérique thermo-mécanique 3D et 2D de zones de convergence. L'ensemble des modèles a permis d'analyser de nombreux paramètres influençant la structure rhéologique de la plaque supérieure tels que le géotherme initial, l'épaisseur de la lithosphère et de la croûte et la nature des matériaux impliqués. L'ensemble des modèles réalisés sont contraints/confrontés par/aux des données issues d'exemples naturels. Les résultats de l'étude sur des roches déformées au sein de l’interface de subduction mettent en évidence le possible comportement cassant des roches à des conditions de pression et température de l'ordre de 2.15-2.40 GPa, 500-550 °C, i.e., dans le faciès éclogitique. L’enregistrement d’un tel mode de déformation est d'une importance capitale car il remet en question le paradigme d’un comportement ductile sans résistance au niveau de l’ interface de subduction. Les résultats obtenus via les modèles numériques montrent par ailleurs que la rhéologie de la plaque supérieure, ainsi que celle de sa seule partie crustale, a une influence de premier ordre sur la dynamique globale des zones de convergence en modifiant notamment le mode de subduction, la cinématique de la fosse, le mode d'exhumation lors d'une collision, le timing de la déchirure du slab et de la formation de bassins d'arrière-arc, la répartition et l'intensité de la déformation au sein de la plaque supérieure. La combinaison des méthodes de pétrologie et de modélisation numérique a permis d'obtenir une analyse quantifiée de l' influence de la rhéologie des lithosphères impliquées dans les zones de convergence sur la dynamique de ces zones. Cette thèse présente ainsi de nouvelles contraintes à notre compréhension de la réponse mécanique de la lithosphère, en fonction de sa structuration rhéologique et de sa place au sein des zones de convergence à petite et grande échelle. Les nouvelles données présentées révèlent l' impact majeur de la rhéologie de la lithosphère dans les zones de convergence. Ce paramètre amène ainsi à reconsidérer notre vision actuelle des zones de convergence.

Les systèmes aquifères constituent la partie souterraine du cycle hydrologique. Ils transfèrent les pluies infiltrées à travers les sols sur des distances variables. Après un temps caractéristique de l’ordre du mois au millier d’années, les eaux souterraines regagnent la surface en alimentant les rivières et en satisfaisant en partie l’évapotranspiration. Les aquifères sont ainsi une ressource en eau majeure pour l’Homme et les écosystèmes. La prédiction de leur réponse aux pressions anthropiques et climatiques se heurte à deux difficultés (1) la faible densité d’informations directes sur les milieux géologiques et leur grande hétérogénéité (2) la complexité des échanges entre la surface et la profondeur. L’enjeu est donc de développer des modèles représentant au mieux les processus aux différentes échelles spatiotemporelles. Pour aborder cette question, nous étudions le contenu informatif de différents types d’observables (piézométrie, débit de rivière, déformation de surface...) afin de déterminer comment ils peuvent améliorer la paramétrisation des modèles. Notre travail s’appuie sur la modélisation hydrologique du site de Ploemeur (échelle locale) et du bassin du Rhin (échelle continentale). Dans les deux cas, des modèles simples sont développés en utilisant des solutions analytiques et numériques. Le modèle ModFlow a également été couplé à un modèle hydrologique. À petite échelle, les résultats illustrent l’intérêt de différents types de données transitoires pour contraindre les processus. À grande échelle, le modèle développé ainsi que les observables permettent d’affiner le rôle des systèmes aquifères dans la disponibilité de l’eau en surface. Les deux approches illustrent un contrôle des flux à différentes échelles par la topographie, la géologie et l’hétérogénéité.

Les interactions entre les processus tectoniques et l’érosion ont été peu étudiées à des échelles de temps courtes (< 1000 ans). Cependant, les séismes peuvent activement contribuer à l’érosion des chaînes de montagne en déclenchant de nombreux glissements de terrain. Des études récentes ont également montré que ces grands événements érosifs pourraient engendrer des changements de contraintes suffisants à proximité des failles actives pour modifier la sismicité régionale. Dans cette thèse, cette problématique a été abordée via une approche numérique. Dans un premier temps, le développement d’un modèle simple de glissements de terrain prenant en compte la topographie des versants a permis de démontrer le rôle des paramètres mécaniques (cohésion et friction), et de la forme des versants sur la distribution de taille des glissements de terrain. Ce modèle a été validé à l’aide de cas naturels de glissements de terrain co-sismiques. Dans un deuxième temps, le rôle de la forme finie des versants sur la probabilité de grands glissements de terrain a été démontrée en se basant sur des données. Enfin, dans un troisième temps, le potentiel effet d’un grand évènement érosif sur la sismicité a été exploré à l’aide d’un modèle numérique de cycle sismique dans lequel ont été implémentées des variations temporelles de la contrainte normale sur la faille. Les résultats mettent en évidence le rôle du volume de sédiments, mais aussi de leur temps d’export. En particulier, les paysages caractérisés par une hauteur unstable des versants importante pourraient, en favorisant de grands glissements de terrain, induire une érosion assez importante et rapide pour modifier de façon significative la sismicité régionale.

Le propos de cette thèse est d’étudier le rift de l’Atlantique sud au Congo, en se focalisant sur (1) la dynamique des reliefs amont du rift (les épaulements de rift), (2) l’architecture stratigraphique du remplissage sédimentaire et (3) le routage sédimentaire ante- à syn-rift. L’etude de terrain a permis de reconstituer la géométrie des paléovallées, le cadre sédimentaire et stratigraphique du remplissage sédimentaire et de discuter des implications géodynamiques de ces paleovalleys en termes de dynamique du rift et de contrôle des systèmes sédimentaires. Ces paléovallées ont été incisées dans le substratum précambrien du Mayombe par des rivières alluviales pendant la phase d'étirement du rifting et remplies par des sédiments d’âge Aptien moyen de la Formation de Chéla. Le remplissage sédimentaire de ces paléovallées consiste en des faciès gravitaires sousaquatiques interdigités dans les argiles lacustres riches en matière organique, recouvrant en discordante le socle Précambrien du Mayombe. Ces depôts s'organisent en une séquence transgressive, caractérisée par l’empilement des séquences élémentaires de type finning-up . L’analyse sédimentologique de carottes a permis de caractériser les environnements de dépôts des Formations de Pointe-Noire, Pointe-indienne et de Chéla, correspondant à la phase d’hyperextension (sag) de l’evolution du rift. La Formation de Pointe-Noire d’âge Barrémien moyen est constituée des faciès gravitaires de cônes sous-lacustres profonds à dominance argileux et riches en matière organique dans lesquels s’intercalent localement des faciès carbonatés de plate-forme peu profonde et gravitaires resédimentés du membre de Toca, accumulés au cours d'une importante transgression associée à un évènement anoxique général. La Formation de Pointe-indienne d’âge Barrémien supérieur à Aptien inferieur est caracterisée par variations latérales et verticales de faciès. Elle comprend des faciès gravitaires gréso-argileux (membre Mengo) de cônes sous-lacustres profonds, surmontés par des faciès mixtes silicoclastiques et carbonatés de rampe interne à moyenne dominée par des vagues de tempêtes (Membre des Argiles vertes) passant progressivement vers le haut à des faciès deltaïques de Tchibota. La formation de Chéla d’âge Aptien moyen se caractérise par des variations latérales et verticales de faciès. Elle comprend des faciès sous-aquatiques de delta alluvionnaire passant latéralement aux faciès gravitaires sous-lacustres, suivi par des faciès de baies mixtes lacustres -marine, surmontés par des faciès de sabkha (membre Vembo) recourvets par les evaorites de Loémé. Les facies de sebkha au sommet de la Formation de Chéla témoignent d’une incursion marine avant la mise en place des évaporites. Les corrélations stratigraphiques entre puits ont permis de subdiviser la succession sédimentaire de la phase d’hyper-extension (sag) en trois principales séquences de dépôt montrant respectivement des tendances rétrogradante, progradante et rétrogradante. La datation des zircons et apatites détritiques a permis de reconstituer le routage sédimentaire ante- à syn-rift et l’évolution de reliefs en amant du rift. Les résultats montrent des changements spatio-temporels de sources de sediments et deux régions de provenance de sédiments. Les sédiments ante-rift (Formation de Vandji) d’age Berriasien proviennent des sources lointaines, confirmant l’existence d’un système pre-rift – et donc d’un bassin antérieur au système rift du segment central de l’Atlantique sud, alimenté de l’ouest à sud-ouest par des sources angolaise et brésilienne. Les sédiments syn-rift (Formation de Djéno) d’age Barremien inférieur et Sag (Formation de chéla) d’age Aptien moyen proviennent des sources locales (massif du Mayombe), ce qui implique un changement majeur de sources et de reliefs entre les phases pre-rift et syn-rift et l’existance des reliefs en amont de la faille bordière pendant les phases d’étirement et d’hyper-extension du rift.

Les nanoparticules de fer manufacturées (NPs-Fe) sont des matériaux de taille nanométrique dont l’utilisation s’est, depuis peu, étendue à des domaines environnementaux. Leur dispersion dans les milieux aqueux et solides, et leurs interactions avec le vivant soulèvent toutefois encore de nombreuses questions. Dans la première partie de cette étude, nous conduisons un travail approfondi de caractérisation des NPs-Fe et précisons comment ces propriétés sont impliquées dans les processus contrôlant la stabilité colloïdale puis la réactivité chimique (capacité d’adsorption du cuivre) des NPs-Fe en solution aqueuse. Des modifications à la fois surfaciques et cristallochimiques sont appliquées afin de mettre en évidence le rôle clés de la chimie de surface des NPs-Fe. Dans cette étude, il est montré que les acides humiques limitent l’agrégation des NPs-Fe et procurent des sites d’adsorption pour les métaux. Les conditions physico-chimiques du milieu s’avèrent également jouer un rôle crucial. Le pH modifie notamment la charge de surface des NPs-Fe et les forces d’interactions électrostatiques qui en résultent. Dans un deuxième temps, nous étudions les interactions entre les NPs-Fe et les végétaux, en solution puis dans un sol. Après 63 et 57 jours, les mesures de susceptibilité magnétique montrent que les NPs-Fe s’accumulent au niveau des racines avant d’être transloquées, en moindre quantité, dans les parties aériennes des plantes. La réponse des plantes à l’exposition aux NPs-Fe se traduit par une augmentation de la biomasse végétale et des teneurs en chlorophylles et une diminution de la peroxydation lipidique.