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Ce manuscrit d’Habilitation à Diriger des Recherches présente une mise en perspective épistémologique et méthodologique de l’utilisation des nucléides cosmogéniques en Sciences de la Terre, le bilan de mon activité scientifique depuis 2002, ainsi que mes projets scientifiques futurs. Il est découpé en 4 chapitres :Chapitre 1 - Introduction : parcours scientifique et CV Chapitre 2 - Les nucléides cosmogéniques : éléments épistémologiques et techniquesCette partie présente 120 ans des progrès scientifiques sur la description des particules cosmiques, les nucléides cosmogéniques et la manière de les utiliser en sciences de la Terre. J’y présente aussi les méthodes actuelles les plus établies pour utiliser les nucléides cosmogéniques en géomorphologie. Chapitre 3 - Résumé de mes travaux de recherche.Mon activité de recherche, polyvalente et pluridisciplinaire, a consisté à développer et utiliser les nucléides cosmogéniques pour résoudre des questions scientifiques en paléoclimatologie et géomorphologie et ainsi améliorer notre connaissance des interactions entre les enveloppes superficielles fluides (atmosphère, cryosphère, hydrosphère) et la Terre solide. Les résultats les plus importants de mon activité de recherche se résument ainsi : •Amélioration significative de la précision des géochronomètres cosmogéniques par le développement des techniques d’analyses de l’3He et du 10Be, la calibration des taux de production en haute altitude, et la mise au point d’un nouveau paléoaltimètre basé sur les nucléides cosmogéniques. •Mise au point des calculateurs en ligne CREp - pour le calcul des âges d’exposition : http://crep.crpg.cnrs-nancy.fr/ - et BASINGA pour le calcul des taux d’érosion. •En couplant une méthode originale associant datation par les nucléides cosmogéniques et modélisation numérique, nous avons caractérisé le retrait des glaciers tropicaux depuis le dernier maximum glaciaire, il y a 20 000 ans. Nos résultats mettent évidence l’amplification altitudinale du refroidissement au Dernier Maximum Glaciaire dans certaines régions (Hawaii), mais aussi permettent de comprendre le rôle des précipitations sur les fluctuations glaciaires, qui se superposent aux variations de températures (Andes Tropicales). •En développant l’analyse des nucléides cosmogéniques dans les séries sédimentaires (Tianshan, Himalaya, Méditerranée), nous avons montré que les fluctuations climatiques n’ont eu qu’un impact limité sur l’érosion, que ce soit au cours du refroidissement Pléistocène, mais aussi lors des fluctuations des cycles glaciaires-interglaciaires du Quaternaire.Chapitre 4 - Projets de recherches pour la période 2021-2025

International audience

Within mountain permafrost regions, rock glaciers refer to periglacial formations composed of a mixture of rock debris of varying size and frozen materials at depth. Among them, active rock glaciers exhibit surface displacement velocities of the order of m/year, reflecting deep-seated deformation dynamics governed by thermo-hydro-mechanical processes. Thus, their contribution to the sediment transfer that can be mobilized in torrential flows may be substantial, as well as the emerging natural risks linked to their destabilization. In support of kinematic monitoring, geotechnical and geophysical methods can be used to investigate a rock glacier at depth, but remain punctual and discontinuous. On the other hand, environmental seismology methods, already applied to landslide monitoring, allow continuous seismic recordings, reporting the state of the subsurface; the aim of this thesis is therefore to apply these passive seismic techniques to the monitoring of rock glaciers.Two active sites have thus been instrumented for several years: the Gugla rock glacier (Valais, Switzerland) and the Laurichard rock glacier (Hautes-Alpes, France). Several methods were applied to these seismic data: ambient noise correlation, microseismicity and spectral analysis. In general, the relative variation of the surface wave velocity (dv/v) shows significant seasonal variations: it reaches a maximum at the end of winter, before dropping during spring melt and reaching a minimum in summer. Similarly, the resonance frequencies specific to rock glaciers, that have been picked within the spectral content of the seismic ambient noise, follow the same seasonal pattern. We interpret these observations as the effect of freeze-thawing processes on the averaged stiffness of the rock glacier.In order to model the variation in the elastic parameters of the medium due to this freezing process, we used a three-phase Biot-Gassmann poroelastic model, considering the rock glacier as a solid porous matrix with pores filled with liquid water or ice. The parameters of the model were constrained by the results of active geophysical surveys carried out in summer at each of the sites. The observed variables (dv/v and resonance frequencies) have then been modelled by comparison of dispersion curves and modal analysis, respectively. The results are consistent with the observations, thus improving the quantification and localization of seasonal freezing and thawing processes within rock glaciers.Similarly, the decorrelation (Kd) of the ambient noise cross-correlations, as well as the daily variability of the spectral power density, increase sharply during melting periods. These observations make it possible to better date and locate liquid water infiltration within the porous matrix.In parallel with modelling of physical processes, an empirical approach defining alert thresholds can also be adopted, towards the integration of this seismic monitoring of rock glaciers into early warning systems., Au sein des régions de permafrost de montagne, les glaciers rocheux désignent des formations périglaciaires composées d’un mélange de débris rocheux de granulométrie variable et de matériaux gelés en profondeur. Parmi eux, les glaciers rocheux actifs présentent des vitesses de déplacement de surface de l’ordre du m/an, témoignant d’une dynamique de déformation en profondeur régie par des processus thermo-hydro-mécaniques. Ainsi, leur rôle dans l’apport de sédiments mobilisables en laves torrentielles peut être important, de même que les risques naturels émergents liés à leur déstabilisation. En soutien du suivi cinématique, les méthodes géotechniques et géophysiques permettent d’investiguer en profondeur un glacier rocheux, mais restent ponctuelles et discontinues. En revanche, les méthodes de sismologie environnementale, déjà éprouvées pour la surveillance de glissements de terrain, permettent d’enregistrer des données sismiques continues rendant compte de l’état de la subsurface ; l’objet de cette thèse est donc d’appliquer ces techniques de sismique passive à la surveillance des glaciers rocheux.Deux sites actifs ont donc été instrumentés pendant plusieurs années : le glacier rocheux de Gugla (Valais, Suisse) et celui du Laurichard (Hautes-Alpes, France). À partir des données sismiques recueillies, plusieurs méthodes leur ont été appliquées : corrélation de bruit de fond, microsismicité, analyse spectrale. De façon générale, la variation relative de la vitesse de propagation des ondes de surface (dv/v) montre des variations saisonnières significatives : celle-ci atteint un maximum en fin d’hiver, avant de chuter lors de fonte printanière et d’atteindre un minimum en période estivale. De même, les fréquences de résonance propres aux glaciers rocheux, repérées au sein du contenu spectral du bruit de fond sismique, suivent un même régime saisonnier. Nous interprétons ces observations comme l’effet du processus de gel et de dégel sur la rigidité globale du glacier rocheux.Afin de modéliser la variation des paramètres élastiques du milieu due à ce processus de gel, nous avons utilisé un modèle poro-élastique de Biot-Gassmann à trois phases, assimilant le glacier rocheux à un matrice poreuse solide dont les pores sont remplis d’eau liquide ou de glace. Les paramètres du modèle ont été contraints par les résultats des prospections de géophysique active réalisées en été sur chacun des sites. Les grandeurs observables (dv/v et fréquences de résonance) ont ensuite été modélisées, respectivement par comparaison de courbes de dispersion et analyse modale par éléments finis. Les résultats sont en adéquation avec les observations, améliorant ainsi la quantification et la localisation des phénomènes de gel et de dégel saisonniers au sein des glaciers rocheux.De même, la décorrélation (Kd) des intercorrélations de bruit de fond, de même que la variabilité journalière de la densité de puissance spectrale, augmentent fortement lors des épisodes de fonte. Ces observations permettent alors de mieux dater et localiser l’infiltration d’eau liquide au sein de la matrice poreuse.En parallèle de la modélisation des processus physiques, une approche empirique définissant des seuils d’alerte peut également être adoptée, permettant d’intégrer la surveillance sismologique des glaciers rocheux dans des systèmes d’alerte opérationnels.

International audience

Antarctic ice is an exceptional archive of ancient atmospheric air. The oldest available ice archive (800 ka) is not old enough to study a main climatic transition that occurred between 1.2 Ma and 0.9 Ma (mid-Pleistocene transition). Locating a future old-ice drill site is now one of the main goal of the ice-core community. In the region of Dome C, several old-ice targets have required characteristics, from a thermal and mechanical point of view, to hosts very old ice. The goal of this work is to precisely locate suitable coring sites, using several glaciological models. First a 1D heat model to compute the local geothermal flux, that make us confident in the fact that bedrock heights have been free of basal melting for at least the last 800 ka. It is very likely that such sites are able to host a 1.5 Ma ice archive. Second, a 3D ice flow model, to describe the ice trajectories from the ice surface to the bed. Drilling less than 10 km from the surface ridge mimimizes the risks of stratigraphic disturbance, and drilling on the flanks of the bed relief - and not on its top - is mandatory to ensure a sufficient age resolution. Third, a 1D dating model constrained by isochrones let us describe the distribution of basal ages and age resolutions compatible with observed isochrones, and assess the risk of success or failure of the drilling. With currently available data and modelling tools, two drilling sites are proposed that are located 37 km from Dome C, at which 1.5 Ma-old ice is very likely to be archived in required conditions and with sufficient resolution., Les glaces de l'Antarctique constituent un matériau d'archivage unique pour garder la trace de l'atmosphère du passé. La plus ancienne archive glaciaire disponible (800 ka) ne permet malheureusement pas d'étudier une transition climatique majeure qui s'est déroulé entre 1.2 Ma et 0.9 Ma (transition du mi-Pleistocène). Localiser un site ayant permis la conservation d'une glace aussi ancienne est donc un enjeu majeur au sein de la communauté des carottes de glace. Plusieurs régions autour du Dôme C présentent de bonnes caractéristiques d'un point de vue thermique et mécanique. Le but de ces travaux est d'identifier précisément des sites propices à un archivage de long terme, en utilisant différents modèles successifs. D'abord un modèle thermique 1D, qui permet de calculer le flux géothermique local, et d'affirmer que les hauteurs du socle sont exemptes de fusion depuis au moins 800 ka. Ensuite un modèle 3D d'écoulement, qui permet la description des trajectoires des particules de glace depuis la surface jusqu'au socle. Pour minimiser les perturbations stratigraphiques, il conviendra de placer le site de forage proche de la crête, et pour assurer une résolution suffisante le site ne devra pas se trouver à l'aplomb du sommet du relief basal, mais sur son flanc. Enfin, on utilise un modèle de datation 1D contraints par les isochrones, pour connaître la distribution des âges basaux et résolutions compatibles avec les isochrones observées, et estimer les risques de succès ou d'échec du forage. On propose deux sites de forage distants de 37 km de Dôme C, pour lesquels la présence de glace exploitable de 1.5 Ma et d'une résolution suffisante est hautement probable.

International audience

– Les satellites radars altimètres permettent de quantifier la fonte de la glace terrestre, ainsi que son impact sur l'´ evolution du niveau des océans. L'objectif du traitement Swath développé pour les données interférométriques du satellite CryoSat-2, est d'augmenter la densité des mesures altimétriques, sans en augmenter le bruit. La selection des données non bruitées est basée ici uniquement sur la qualité de la phase mesurée, en faisant l'hypothèse que la phase est affine par morceaux. Cet algorithme permet ainsi d'améliorer la précision des MNE et des taux de changement d'´ elévation estimésestimés`estimésà partir des données d'´ elévation. Abstract – The radar altimeter satellites enable to quantify the melt of the Earth's land ice, and its impact on the evolution on the sea level rise. The goal of the Swath processing developed for the SARIn data of the CryoSat-2 satellite is to increase the density of the altimetric measurement without adding noise to the final products. The selection of the unnoisy data is made on the phase quality alone, making the hypothesis that the phase is a piecewise slope function. This algorithm increases the accuracy of the DEM and the rate of elevation change maps computed from elevation data.

Mountain glaciers have a high societal impact, first at a local scale since they influence the water ressources and the touristic attractivity of a region, but also at a global scale, being major contributors to the present sea-level rise. Moreover, mountain glaciers are sensitive to climate forcing and are thus relevant indicators of past and present climate change and particularly present global warming. It is thus important to analyse the dynamic of these glaciers and quantify the changes that are affecting them so that their contribution to the Earth system and their future evolution can be better estimated. Satellite Earth Observation imagery, with its global coverage and repeated acquisition, represents a unique tool to quantify temporal changes affecting glaciers. The available archive is huge and the flux of new data will increase it even more.It is thus necessary to develop new methods to process this large archive.The objective of this thesis is to quantify the dynamic response of mountain glaciers in the Pamir-Karakoram-Himalaya (PKH) and in the Alps to a changing climate, with the use of the 40-year long satellite archive. We first developped a semi-automated processing chain to derive annual ice flow velocities from feature-tracking of satellite images. The chain takes advantage of the redundancy in the archive to obtain more spatially complete and robust velocity fields and to statistically estimate the uncertainty. Application to the Landsat archive leads to the determination of an unprecedented velocity field for the entire PKH region (~92 000 km2) for the period 1998-2014 and over the Alps (2 000 km2, period 1999-2014) with a coverage of 60-80 % and a mean uncertainty of 4 m/yr.. Flow velocities have been derived less systematically for the period 1972-1998 over the PKH. Secondly, the analysis of velocity changes show a slow-down of the glaciers for most of the 2 regions. The velocity changes are spatially contrasted and coherent with the patterns of elevation changes. In particular, glaciers in the Karakoram and West Kunlun that are stable or advancing show also a clear speed-up, whereas regions where thinning is the most important (Western Himalaya, Nyenchen Tangla, Alps) show the most important slow-down. The observed velocity changes is thus primarily determined by a climatic signal., Les glaciers de montagne ont un impact sociétal important que ce soit à l'échelle locale où ils influencent les ressources en eau et l'attractivité touristique d'une région, ou à l'échelle mondiale en contribuant au niveau des océans. Par ailleurs, les glaciers de montagne sont extrêmement sensibles aux variations climatiques et sont donc des indicateurs pertinents des évolutions climatiques passées et présentes, en particulier du réchauffement global.Une meilleure compréhension de la réponse des glaciers à ces changements, ou dynamique, est nécessaire afin d'estimer leur contribution au système Terre et leur évolution future. Les satellites d'observation de la Terre, par leur couverture globale et des acquisitions régulières, représentent un atout formidable pour suivre l'évolution des glaciers. L'archive à disposition est considérable et celle à venir promet d'être encore plus importante. Il est donc indispensable de développer des méthodes pour traiter cette masse de données.L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la réponse dynamique des glaciers du Pamir-Karakoram-Himalaya (PKH) et des Alpes aux changements climatiques actuels en mettant à profit les 40 années de données satellitaires disponibles. Dans un premier temps, nous avons développé une chaine de traitement semi-automatique qui permet de mesurer les vitesses annuelles de surface d'écoulement des glaciers par corrélation d'images à partir d'une archive satellitaire. Grâce à la redondance des acquisitions, il est possible d'obtenir des champs de vitesse plus complets, plus robustes et d'estimer statistiquement l'incertitude. L’application de ce traitement à l’archive Landsat a permis d’obtenirdes champs de vitesse pour l’ensemble de la région du PKH (~92 000 km2) sur la période 1998-2014et sur les Alpes (~2 000 km2, période 1999-2014) avec une couverture de 60-80 % et une incertituded’environ 4 m/an. Des champs de vitesse ont également été obtenus de manière moins systématique sur la période 1972-1998 pour le PKH. Dans un second temps, l'analyse des variations de vitesse sur ces périodes a montré un ralentissement des glaciers sur l'ensemble des deux chaines de montagne, en lien avec un amincissement des glaciers sur la même période. Les variations de vitesse sont très contrastées spatialement et sont cohérentes avec les motifs observés pour les variations d'épaisseur. En particulier, les glaciers du Karakoram et du Kunlun qui sont stables ou gagnent de la masse sur cette période montrent également des signes d'accélération, alors que les zones d'amincissement le plus important (Himalaya occidental, Nyenchen Tangla, Alpes) sont celles ou le ralentissement observé est le plus fort. Il semble donc que les variations de vitesse observées soient conditionnées au premier ordre par un signal climatique.

Polar ice has proved to be a very valuable way to access Earth’s volcanism history, and a large number of volcanic reconstructions are based on ice-core analysis. Reconstructions are fed into climate forcing models in order to estimate volcanic cooling effect, resulting from the interactions between volcanic sulfuric acid aerosols and incident solar radiations. In this type of reconstruction, determining the potential impact of an eruption is a key step. It usually relies on the identification of its signal in both polar caps (bipolar signal). This wide spatial distribution indeed reflects a significant residence time in the stratosphere, and thus a sizable impact on climate. However, ice cores offer an interesting alternative to this method: the analysis of volcanic sulfates reveals a mass independent fractionation of sulfur (S-MIF) in the aerosols formed in the stratosphere, allowing us to discriminate between low climatic impact (tropospheric) and high climatic impact eruptions (stratospheric). Studying the unusual isotopic signature of stratospheric aerosols simultaneously allows for constraining photochemical mechanisms responsible for this anomaly (Δ33S ≠ 0), which are currently only partially identified. In 2010-2011, 5 100m-cores were drilled at Dome C, Antarctica in order to reconstruct a history of stratospheric volcanic over the past 2500 years, by the isotopic method. Drilling 5 replicate cores, 1 m apart, allowed us to study various aspects of the reconstruction.Firstly, we were able to assess the sulfate deposition variability on a local scale, and therefore the statistical representativeness of a single core in a volcanic reconstruction. Sulfate concentration analysis of the 5 cores reveals that local scale variability, essentially attributed to snow drift and surface roughness at Dome C, can lead to a non-exhaustive record of volcanic events if a single core is used; on average 30% of the volcanic events are missing per core, and the uncertainty on the volcanic flux (up to 60%) is substantial.Secondly, our detailed analysis (temporal resolution of each eruption) has allowed us to more accurately describe the stratospheric S-MIF signature. Implications on current atmospheric chemistry are evaluated through the set of trends obtained in our samples. We used a simple model implemented with fractionation factors available in the literature to account for the isotopic pattern observed on volcanic sulfate deposition. Through this tool, we evaluated the respective proportions of the different mechanisms assumed to take part in the oxidation process (mass dependent vs. mass independent processes, self-shielding vs. spectral isotopic effect) needed to reproduce natural data, in the current state of experimental knowledge.Finally, the systematic analysis of the isotopic composition (Δ33S) in volcanic events has allowed us to establish a history of the stratospheric volcanism recorded in Dome C in the last 2600 years. Through the isotopic method, in most cases we confirmed the tropical origin of volcanic events as reported in the literature. Discrepancies hinted at high latitude stratospheric events, but the synchronization between North and South Pole records recently established is not questioned. The results also validate the use of the isotopic method to identify stratospheric eruptions in a glacial record., La glace polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l’analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d’estimer l’effet refroidissant du volcanisme, dû aux interactions entre aérosols d’acide sulfuriques d’origine volcanique, et le rayonnement solaire incident. Dans ce type de reconstruction, l’un des paramètres-clés pour déterminer l’impact potentiel d’une éruption, est l’identification de son signal sur les deux calottes polaires (signal bipolaire). Cette large répartition spatiale traduit en effet un temps de résidence significatif dans la stratosphère, et donc, un impact climatique important. Les carottes de glace offrent pourtant une alternative intéressante à cette méthode : l’analyse du soufre des sulfates volcaniques révèle la présence d’anomalies isotopiques (Δ33S ≠ 0) dans les aérosols d’origine stratosphérique, permettant la discrimination entre éruptions de faible impact (troposphériques) et éruptions de fort impact (stratosphériques). L’étude de la signature isotopique atypique des aérosols stratosphériques permet en parallèle de contraindre les mécanismes photochimiques à l’origine de cette anomalie, qui ne sont que partiellement identifiés à ce jour. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2500 dernières années, par la méthode isotopique. Le forage de 5 carottes identiques, à 1 m les unes des autres, nous a permis d’étudier différents aspects de la reconstruction.Premièrement, nous avons pu évaluer la variabilité du dépôt de sulfate à l’échelle locale, et donc, la représentativité statistique d’une seule carotte vis à vis d’une reconstruction volcanique. L’analyse des concentrations de sulfate révèle qu’une importante variabilité locale, associée principalement au déplacement de la neige par le vent, pouvait entraîner un enregistrement non exhaustif des évènements volcaniques (en moyenne 30% d’évènements manquants, par carotte) et une variabilité conséquente du flux archivé (jusqu’à 60%).En second lieu, le niveau de détail de nos analyses (résolution temporelle de chaque éruption) nous a permis de décrire plus précisément la signature des processus indépendants de la masse à l’œuvre dans la stratosphère. Les résultats obtenus ne permettent pas de clore le débat concernant le mécanisme photochimique à l’origine de l’anomalie, mais ils contraignent la signature stratosphérique de façon robuste, notamment en définissant les tendances isotopiques (Δ36S vs. Δ33S et Δ33S vs. δ34S). Les implications de ces contraintes sur la chimie atmosphérique actuelle sont discutées à travers l’utilisation d’un modèle simple ; nous évaluons les paramètres requis, en particulier les proportions des différentes voies d’oxydation stratosphériques (dépendantes et indépendantes de la masse), pour reproduire nos résultats.Enfin, l’analyse systématique de la composition isotopique (Δ33S) des évènements volcaniques nous a permis d’établir un historique du volcanisme stratosphérique enregistré à Dôme C au cours des 2600 dernières années. Nos résultats confirment majoritairement l’origine tropicale (stratosphérique) des évènements identifiés comme tels dans la littérature, et suggèrent le caractère stratosphérique (unipolaire) de quelques éruptions de haute latitude. Les résultats ne remettent pas en question la synchronisation des enregistrements bipolaires récemment établis, et valident l’utilisation de la méthode isotopique pour l’identification des éruptions stratosphériques dans un enregistrement glaciaire.

National audience

The North Shore of the St. Lawrence Estuary and Gulf is characterized by the presence of deltaic complexes that were emplaced under falling Relative Sea Level (RSL) forced by the glacio-isostatic rebound, immediately after the retreat of the Laurentide Ice Sheet (LIS) margin. The study of three deltaic complexes reveals that a common morphostratigraphic evolution forced by the retreat of the LIS prevailed for the edification of these structures, reflecting the retreat of the LIS margin. The emplacement of subaqueous outwash fans beyond the retreating or stillstanding glaciomarine margin constitutes the first stage of this evolution. As tied to the ice-margin position, these fans are characterized in places by a backstepping stacking pattern, in spite of the forced regressive setting. From the emergence of a continental ice front, the proglacial deltaic system develops and forms lobes staged accordingly to the RSL fall. These deltaic systems actively prograde at that time because they are fed in glaciogenics by the retreating LIS margin through braided meltwater streams. In spite of the RSL fall reaching several centimeters per years, no fluvial entrenchment occurs mainly owing to the significant amount of sediment supply. Later, when the LIS margin retreats from the drainage basins of feeding rivers, fluvial systems experience a drastic drop in sediment supply that forced the interruption of the deltaic progradation and the onset of paraglacial reworking. The paraglacial reworking consists in the entrenchment of a meandering fluvial system within former deltaic deposits and shows the prevalence of shallow-marine processes (waves, tides) at the delta rim (raised beaches, marine terraces). This study reveals that the bulk of the deltaic volume (c.a. 10-20 km3) for each complex was emplaced in only a few thousands of years following the LIS margin retreat when the latter was still located in the drainage basin. The paraglacial reworking had a minor influence on the deltaic accretion. A forward stratigraphic model (Dionisos) is used to validate the variety of forcing as understood from the sedimentary analysis. A synthesis including 21 deltaic complexes of the St. Lawrence North Shore allowed the establishment of a fourfold categorization. This scheme of deltaic evolution was used in order to refine the position of the LIS margin retreating upland for a period ranging from 12 to 7.5 ka cal BP., La Côte Nord de l’Estuaire et du Golfe du St. Laurent (Québec, Canada) est caractérisée par une série de complexes deltaïques mis en place en contexte de chute de Niveau Marin Relatif (NMR) forcée par le rebond glacio-isostatique, lors du retrait des marges de l’Inlandsis Laurentidien. L’étude de trois complexes deltaïques montre qu’un motif d’évolution morphostratigraphique contrôlé par le retrait des marges glaciaires prévalait au premier ordre. Le premier stade de sédimentation se caractérise par la mise en place de cônes d’épandage juxtaglaciaires sous-aquatiques. Leur localisation au front de la marge glaciaire fait que la répartition spatiale des corps sédimentaires montre localement un empilement en rétrogradation. Dès l’émergence d’un front glaciaire continental, des deltas proglaciaires se développent en contexte de chute de NMR, formant des lobes dont l’altitude décroît vers le bassin. Ces derniers sont initialement associés à un système fluviatile en tresse alimenté en sédiments glaciogéniques par les marges glaciaires en retrait. Malgré des taux de chute de NMR de plusieurs cm/an, aucune incision fluviatile n’est observée à ce stade et la dynamique de transfert est prédominante du fait des forts taux d’apports sédimentaires. Plus tard, à la suite du retrait des marges glaciaires hors des bassins versants, le remaniement paraglaciaire se développe du fait de la réduction drastique des apports en eaux et sédiments. Le système fluviatile, devenu méandriforme, s’encaisse dans les anciens dépôts deltaïques maintenant inactifs et les bordures de deltas sont remaniées par les processus littoraux (plages soulevées, terrasses marines). Cette étude révèle que la majorité du volume de ces complexes deltaïques (10-20 km3) est mis en place en quelques milliers d’années seulement, immédiatement après la déglaciation ; le remaniement paraglaciaire n’ayant contribué à l’accrétion deltaïque que très marginalement. La modélisation numérique (Dionisos) valide les différents forçages identifiés par l’analyse morphosédimentaire. Une synthèse des complexes deltaïques à l’échelle de toute la Côte Nord du St. Laurent a permis de catégoriser 21 complexes deltaïques en 4 scénarios d’évolution morphosédimentaire, directement liés à la dynamique de retrait de la marge glaciaire. Leur décryptage offre une clef de lecture originale pour l’historique du retrait des marges glaciaires de l’Inlandsis Laurentidien sur la période 12-7.5 ka cal BP.

Characterizing the complex microstructure of snow and its mechanics is a major challenge for avalanche forecasting and hazard mapping. While the effect of environmental conditions on the snow metamorphism, which leads to numerous snow types, is fairly known, the relation between snow microstructure and mechanical properties is poorly understood because of the very fragile nature of snow. In order to decipher this relation for dry snow, this thesis presents a modeling approach of snow mechanics based on the three-dimensional microstructure of snow captured by X-ray microtomography and the properties of ice. First, in order to automatically process the microtomographic data, we take advantage of the minimization of the snow surface energy through metamorphism to efficiently binary segment grayscale images. Second, assuming an elastic brittle behavior of the ice matrix, the tensile strength of snow is modeled via a finite element approach. The model reveals an apparent pseudo-plastic behavior caused by damage, and the highly heterogenous stress distribution in the ice matrix. Third, we develop a discrete element model, accounting for grain-rearrangements and the creation/failure of inter-granular contacts. The grains, geometric input of the model, are detected in the microstructure with mechanically-relevant criteria and described as rigid clumps of spheres. The model evidences that the compression behavior of snow is mainly controlled by density but that the first stage of deformation is also sensible to the snow type. Last, the inter-granular bonds, recognized to be critical for the mechanical properties, are characterized through a new microstructural indicator, which effectively highly correlates with the simulated mechanical and physical properties., Caractériser les propriétés mécaniques de la neige est un défi majeur pour la prévision et la prédétermination du risque d’avalanche. Du fait du grand nombre de types de neige et de la difficulté à effectuer des mesures sur ce matériau très fragile, la compréhension de la relation entre la microstructure de la neige et ses propriétés mécaniques est encore incomplète. Cette thèse aborde ce problème par le biais d’une approche de modélisation mécanique basée sur la microstructure tridimensionnelle de neige obtenue par microtomographie aux rayons X. Tout d’abord, afin d’automatiser et améliorer la segmentation des images microtomographiques, un nouvel algorithme tirant profit de la minimisation de l’énergie de surface de la neige a été développé et évalué. L’image air-glace est ensuite utilisée comme entrée géométrique d’un modèle éléments finis où la glace est supposée élastique fragile. Ce modèle permet de reproduire le comportement fragile en traction et révèle le comportement pseudoplastique apparent causé par l’endommagement microscopique, ainsi que la forte hétérogénéité des contraintes dans la matrice de glace. Pour reproduire les grandes déformations impliquant le ré-arrangement de grains, un modèle par éléments discrets a ensuite été développé. Les grains sont identifiés dans la microstructure en utilisant des critères géométriques dont la pertinence mécanique a été démontrée, et décrits dans le modèle par des blocs rigides de sphères. Le comportement simulé en compression est dominé par le rôle de la densité mais révèle également des différences liées au type de neige. Enfin, pour distinguer le degré de cohésion entre les types de neige, un indicateur microstructurel a été développé et s’est avéré être fortement corrélé aux propriétés mécaniques et physiques du matériau.

Due to their unique architecture and the exceptional dimensions of the largest monument in the group, the Arles-Fontvieille hypogea are among the most remarkable megalithic monuments in Europe and the western Mediterranean region. A collective research program was launched in 2013 to study these well-known monuments which have, paradoxically, been the subject of relatively few field studies since the 19th century. The research program consisted of an inventory and analysis of the grave goods and associated artefacts, as well as a number of field studies providing an improved archaeological context of a megalithic group too often thought of only in terms of funerary monuments. Various traces of habitations, natural caves and unknown monoliths have been discovered in the context of these studies. An architectural study of the Hypogée du Castelet was also undertaken, and a new plan of the largest of the monuments, the Hypogée de Cordes was produced, transforming our vision of these monuments. This data has allowed us to propose, at the scale of individual monuments and of the sites more globally, an updated view of the composition of the funerary space of a major megalithic group, as well as to speculate on the nature of the interactions which contributed to the organization of this complex., Les hypogées d'Arles-Fontvieille sont reconnus parmi les plus remarquables du mégalithisme européen ou de Méditerranée occidentale du fait de leurs caractéristiques techniques originales, et des dimensions exceptionnelles de l'un d'entre eux. Un programme collectif de recherche a été engagé en 2013 pour préciser la connaissance de ces monuments renommés mais paradoxalement méconnus en raison du peu d'études de terrain dont ils ont fait l'objet depuis le 19e siècle. Ces recherches ont consisté en une reprise complète des séries de mobiliers, et en diverses interventions de terrain qui nous ont permis de mieux documenter les contextes archéologiques d'un secteur mégalithique trop souvent cristallisé sur les seuls monuments funéraires. Divers vestiges d'occupations, des grottes naturelles et des monolithes inédits ont été signalés dans ce cadre. Une étude architecturale de l'hypogée du Castelet a également été engagée, et un nouveau plan du grand hypogée de Cordes a été dressé, qui renouvellent la vision de ces monuments. Ces données nous permettent de proposer, à l'échelle de la tombe et à celle plus globale du site, une vision réactualisée des composantes de l'espace funéraire d'un ensemble mégalithique majeur, et de nous interroger sur la nature des interactions qui ont contribué à l'organisation de ce complexe. Mots-clefs

By the importance and diversity of its Quaternary sedimentary formations, the southern piedmont of the Grand Luberon is a laboratory for both Pleistocene and Postglacial landscape mutations in the Mediterranean area. The presence of pedogenic horizons in the Upper Pleistocene cryoclastic formations signs the impact of the different temperate interstadials of the last Pleniglacial and is a unique morphoclimatic testimony in Provence. On the basis of radiometric datings, geometry of the deposits and palaeoecological analyses performed on these peculiar formations, local morphogenetic rhythmicity are defined for the Upper Pleistocene. These results are then integrated into an original regional synthesis including Provence and a part of the Southern Alps. Soil horizons, loess, aeolian formations, alluvial terraces and travertines, as well as different paleoecological proxies, reinvite us to think about landscapes and palaeoenvironmental history of Southeastern France on the eve of Termination, Par l'importance et la diversité des formations sédimentaires quaternaires qui le composent, le piémont méridional du Grand Luberon est un véritable laboratoire des mutations paysagères pléistocènes et postglaciaires en domaine méditerranéen. La présence d'horizons pédogénétiques dans les glacis à gélifracts du Pléistocène supérieur signe l'impact des différents interstades tempérés du dernier pléniglaciaire et constitue un témoignage morphoclimatique unique en Provence. Sur la base des datations radiométriques, de la géométrie des dépôts et des analyses paléoécologiques réalisées sur ces formations atypiques, les rythmes locaux de la morpho-genèse sont définis pour le Pléistocène supérieur. Ces résultats sont ensuite intégrés dans une synthèse régionale originale incluant la Provence et une partie des Alpes du Sud. Horizons pédologiques, loess, formations éoliennes, séquences alluviales et travertineuses, de même que différents enregistrements paléoécologiques, nous réinvitent à réfléchir sur l'histoire, souvent avare de données, des paysages et des paléoenvironnements à la veille de la terminaison I dans le sud-est de la France.

Imaging spectrometer, Imaging spectro-photometer and high resolution spectrometer constitute the last generation of space instruments that strongly modified the study of planetary bodies. Such instruments allow us to follow the soil and atmospheric optical properties through space and time. The first objective of this Habilitation thesis is to propose some tools to analyze a huge amount of data in planetological perspectives. Three types of methods are introduced to examine the hyperspectral data acquired by OMEGA (Mars Express/ESA) and CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instruments : (i) WAVANGLET, a fast detection algorithm based on wavelets to identify the presence of chemical species at the ground, (ii) BPSS, a blind source separation method that is able to detect chemical species without a priori, (iii) supervised unmixing algorithm using LinMin strategy. Also atmospheric correction methods, coupled to Bayesian inversion of photometric model, allow us to deal with the full CRISM photometric dataset. Finally, a method of micro-vibrations correction has been proposed in order to improve the quality of the PFS instrument (Mars Express/ESA) using semi-blind deconvolution.The Martian annual cycle of CO2 consists of an exchange between surface and atmosphere, which is particularly relevant in polar regions. During the polar night, atmospherical CO2 condensates at the ground, whereas it starts to sublimate again during the spring, when the solar light bring energy to the surface. This major climatic cycle has been identified in the 1960th but even today, the microphysic of interaction between surface and atmosphere is still unknown. Recent images at high spatial resolution (50 cm) from HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instrument show many active processes associated to sublimation. The second objective of this thesis is to build a model of the seasonal deposits sublimation, by simulating the mass balance but also by geomorphological and spectroscopic studies. Results show that the seasonal south polar cap sublimation is mainly controlled by its albedo. Further studies must determine the exact mechanisms in the origin of this albedo variability.The third objective of this thesis is to discuss the possibility of clathrate hydrate in the climatic history of Mars. A scenario, implying formation of clathrate hydrate of S and CO2 is examined in comparison with geomorphological clues of the Martian surface., L’étude de Mars a été profondément modifiée par les dernières générations d’instruments spatiaux : les spectro-imageurs, les spectro-imageurs-photomètres et les spectroscopes à haute résolution spectrale. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols et de l’atmosphère. Le premier objectif de cette thèse d’Habilitation à Diriger des Recherches est méthodologique et consiste à proposer des outils permettant de traiter la grande quantité de données afin d’aborder des probléma- tiques planétologiques. Plusieurs types d’outils d’analyse des images hyperspectrales, notamment celles produites par les instruments OMEGA (Mars Express/ESA) et CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA), ont été proposés : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol basée sur la transformée en ondelette, (ii) BPSS, une méthode de séparation de source en aveugle qui détecte des corps chimiques sans a priori, (iii) des méthodes de dé-mélanges linéaires supervisées rapides utilisant la stratégie LinMin. Aussi des outils de correction atmosphérique couplés à des mé- thodes d’inversion bayésienne de modèle photométrique de surface ont été développés pour l’instrument CRISM. Enfin, une méthode de correction des effets de vibrations par déconvolution semi-aveugle a été développée pour PFS (Mars Express/ESA).Les régions polaires de Mars sont le siège d’un cycle climatique annuel d’échange de CO2 entre atmosphère et surface. Pendant la nuit polaire, le CO2 atmosphérique se condense au sol, tandis qu’il se sublime à nouveau, dès les premiers rayons du soleil. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 1960 mais aujourd’hui encore, la microphysique d’interaction surface/atmosphère demeure inconnue. Des observations d’imagerie à haute résolution spatiale (50 cm) par HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) ont montré une multitude de phénomènes actifs associés à la sublimation. Le second objectif de cette thèse est d’établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers, à la fois par simulation du bilan de masse mais aussi par étude géomorphologique et spectroscopique. Les résultats montrent que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo mais des travaux plus détaillés seront nécessaires pour déterminer les mécanismes à l’origine des variations d’albedo.Le troisième objectif de cette thèse est de discuter les implications de la présence de clathrate hydrate en surface dans l’histoire climatique de Mars. Un scénario impliquant la formation de clathrate hydrate mixte de soufre et CO2 est proposé au regard des traces géomorphologiques du paysage martien.

Il n’est pas évident de pouvoir parcourir de manière exhaustive le champ des recherches sur le Quaternaire d’un aussi bel et vaste espace géographique que celui de la Provence et des Alpes occidentales. A l’instar des paysages de cette région, ils y sont d’une richesse et d’une complexité rares. Il est également difficile d’énoncer l’ensemble des données fondatrices sur lesquelles reposent nos actuels travaux. Nous pouvons cependant saluer le caractère essentiel des nombreuses analyses paysag...

The mountain permafrost is studied since few decades to understand the mechanisms of formation and evolution of the periglacial environment, in the context of climate change. The rock glaciers, located in high altitude, for instance in the Alps and the Andes, are the most visible and common forms of the permafrost, and are abundant in the Southern Alps and the Central Andes. The inventory of the Southern French Alps, gathering three departments, is realized to bring information about the distribution of the rock glaciers and also their activity, completing the Alpine-Space-Project PermaNET and the APIM (Alpine Permafrost Index Map) in all the Alps. This inventory is realized by the RTM service on a SIG, with aerial pictures and orthophotos, and aims to map the potential hazards zones in the French Alps. Otherwise, the national inventory of glaciers, realized actually in the Argentina Andes by the IANIGLA laboratory, base this study on the law 26.639 on the protection of glaciers and periglacial environment, promulgated in 2010, and have the aim to preserve this environment and estimate the water volume present in the glacial and periglacial forms, mapping their distribution and calculating their surface. For this inventory, the software Qgis, SAGA and the Kosmo program, as satellite pictures (Landsat, Aster, Alos) are used. The territory is studied and divided by catchment to inform the public on the available water resources by hydrological regions., Le permafrost de montagne fait l’objet de nombreuses études depuis plusieurs décennies, afin de comprendre les mécanismes de formation et d’évolution du milieu périglaciaire, dans un contexte de changement climatique. Les glaciers rocheux, présents à haute altitude dans les Alpes et dans les Andes par exemple, sont les formes les plus visibles et les plus communes du permafrost, et présents en grande quantité dans les Alpes du Sud et les Andes centrales. L’inventaire dans les Alpes du Sud, rassemblant trois départements, est réalisé afin d’apporter des informations sur la distribution des glaciers rocheux ainsi que leur activité, permettant de compléter le projet de suivi PermaNet ainsi que la carte de distribution du permafrost dans les Alpes. Cet inventaire a été réalisé par le service RTM sur SIG, à l’aide de vues aériennes et fonds orthophotographiques, dans le but de cartographier les zones à risques dans les Alpes françaises. Par ailleurs, l’Inventaire National des Glaciers, en cours de réalisation dans les Andes argentines par le laboratoire IANIGLA, base ses travaux sur la loi 26.639 sur la protection des glaciers et des environnements périglaciaires, promulguée en 2011 qui a pour but de préserver ces milieux et d’estimer le volume d’eau potable présente dans les formes glaciaires et périglaciaires en les cartographiant et calculant leur surface. Pour cet inventaire, les logiciels Qgis, SAGA ou encore le programme KOSMO, ainsi que des images satellites (Landsat, Aster, Alos) sont utilisés. Le territoire à étudier est divisé par bassins versants pour informer le public des ressources en eau disponible par régions hydrologiques.

Dater la glace et les bulles d'air des calottes polaires est essentiel pour exploiter pleinement cette formidable archive paléoclimatique, qui nous permet de mieux cerner les mécanismes climatiques en général et le rôle des gaz à effet de serre en particulier. D'autre part, les observations d'âge, issues des carottages ou des instruments radars, permettent de contraindre le champ de vitesse de ces calottes et ainsi d'améliorer nos modèles numériques d'évolution des calottes polaires. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à différents aspects de l'âge.Sur le plan analytique, nous avons déterminé dans le cas 2.5D pseudo-stationnaire le lien entre champ de vitesse et champ d'âge, en explicitant notamment la pente des couches isochrones et la fonction d'amincissement vertical. Ceci a été fait en introduisant un système de coordonnées (π,θ) qui est par ailleurs très adapté pour la résolution numérique de l'équation de l'âge. Les résultats analytiques ont été vérifiés par des simulations numériques. Nous avons ensuite détaillé une méthodologie pour optimiser la chronologie des forages profonds, basée sur une conjonction statistique de modèles d'écoulement et d'observations de l'âge. Cette méthodologie a été utilisée pour construire les chronologies officielles de bon nombre de forages. Nous nous sommes également intéressés à la relation de phase entre variations d'insolation et variations climatiques lors des grandes déglaciations du dernier million d'années. Un modèle conceptuel a été développé et prédit un déphasage variable lié à l'ampleur de la glaciation précédente. La prédiction de ce modèle a été vérifiée par une datation précise de la carotte de Dome Fuji exploitant le rapport O₂/N₂ des bulles d'air. Enfin le décalage en profondeur entre glace et bulles d'air d'un même âge, le Δprofondeur, a été étudié. Nous avons mis en évidence une sur-estimation du Δprofondeur estimé jusqu'alors pour le forage EPICA Dome C lors de la dernière période glaciaire grâce à un modèle de densification de la neige en glace. Exploitant l'enregistrement en δ¹⁵N des bulles d'air qui est affecté par un enregistrement gravitationnel dans le névé, nous avons pu ré-estimer la profondeur de piégeage des gaz. Nous en avons déduit que les variations de CO₂ atmosphérique et les variations de la température Antarctique lors de la dernière période glaciaire étaient approximativement synchrones, remettant en cause des résultats précédents.

National audience; Les calottes polaires (Antarctique et Groenland), en perdant ou gagnant de la masse, jouent un rôle majeur dans l'évolution du niveau des mers. Pour estimer leur contribution future pour les 100 prochaines années, il est nécessaire de disposer de modèles d'évolution performants. Ces derniers prennent en entrée des paramètres (dont l'état initial) tels le coefficient de frottement basal, la topographie du socle rocheux, l'épaisseur de glace ou le champ de température dans la glace. Or ceux-ci sont essentiels pour prévoir le comportement des calottes sur 100 ans mais sont mal (ou pas) connus. Par contre, nous possédons un certain nombre d'observations telles la hauteur de surface, les vitesses de surfaces ou la topographie du socle (pas partout). Utiliser l'assimilation de ces données afin d'estimer au mieux les paramètres d'entrée semble pertinent dans ce cadre. Nous avons mis en place un filtre de Kalman d'ensemble LETKF (Hunt et al. 2007) afin de construire un état initial de calotte et des paramètres d'entrée optimaux grâce aux observations disponibles. Nous commençons par des expériences jumelles avec un modèle 2D d'évolution de calotte polaire nommé Winnie (le long d'une ligne d'écoulement). Ceci constitue un premier pas vers l'assimilation de données avec un modèle 3D, GRISLI. Malgré sa simplicité, la physique contenue dans Winnie est fortement non linéaire et ce modèle est un bon prototype pour tester nos méthodes. Dans le cas présent, nous essayons de retrouver les paramètres et variables suivants : coefficient de frottement basal, topographie du socle rocheux et épaisseur de glace grâce aux données simulées suivantes : altitude de la surface de la calotte, vitesses de surface et quelques observations de la topographie du socle rocheux. Nous étudions aussi la qualité des variables retrouvées à l'aide de diagnostics a posteriori.

International audience

Nitrate ions (NO3-) found in Antarctic snows stem from the degradation of nitrogen oxydes (NOx = NO + NO2) in the atmosphere. At sites with low snow accumulation rates such as Vostok or Dome C (East Antarctic plateau), nitrate deposition to the snow is not irreversible and this strongly hampers the interpretation of nitrate concentration records in ice cores. Nitrogen stable isotopic (δ15N) as high as +339‰ were measured in nitrate in the upper firn at Dome C and have been attributed to nitrate photolysis initiating a strong recycling at the snow surface. The oxygen isotopic anomaly (Δ17O) reflects the activity of ozone (O3) in nitrate formation. We present the first comprehensive isotopic analysis of nitrate (δ15N, Δ17O and δ18O) in a deep ice core. 64 samples of nitrate from the Vostok ice core have been analyzed and cover the last 150 000 years. This dataset has been completed with 313 samples recently collected in the atmosphere/surface hoar/snow continuum at Dome C as well as in several snowpits from various sites covering most of the East Antarctica. Those present-day samples are used to evaluate a conceptual model (named TRANSITS) developped during this PhD and which aims at representing nitrate recycling at the snow/atmosphere interface and at modelling its impact on the isotopic composition of the archived nitrate. High positive δ15N values measured in the Vostok ice core reveal that nitrate recycling has always occurred at the surface of the Antarctic plateau over this period. Past variations of the primary flux of nitrate to the Vostok site have been estimated using the TRANSITS model. They show that glacials are characterized by higher inputs which may be linked to a greater stratospheric denitrification. The Δ17O values indicate that intrusions of stratospheric air masses to the troposphere may have been more frequent in glacials thus incorporating significant amounts of stratospheric ozone to the lower atmosphere. Last, we suggest that this study may have some relevance to the coastal nitrogen budget in Antarctica and to the interpretation of ice cores retrieved from high accumulation sites (e.g. in Greenland)., L'ion nitrate (NO3-) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l'oxydation des oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) dans l'atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et Dôme C sur le plateau de l'Est de l'Antarctique, le nitrate n'est pas piégé de manière ultime dans la neige, ce qui limite fortement l'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace. Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (δ15N) montrent des valeurs extrêmement élevées (+339‰) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède, par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (Δ17O) qui permet de tracer l'activité de l'ozone (O3) au cours de sa formation. Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du nitrate (δ15N, Δ17O et δ18O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64 échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313 échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l'essentiel de l'Est de l'Antarctique. L'analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l'interface entre l'atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé. Les valeurs positives et élevées du δ15N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l'aide du modèle TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de Δ17O du nitrate montrent que l'incursion d'ozone d'origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre de mieux contraindre le cycle de l'azote sur la côte Antarctique et d'apporter des éléments d'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de neige (au Groenland par exemple).

6 pages; National audience

Les glaciers himalayens ne sont pas le château d'eau de l'Asie. Mais dans les régions de la chaîne non soumises à la mousson, cette eau stockée est une ressource cruciale dans les hauts bassins. La tendance est à la décrue. Gange, Brahmapoutre, Indus, Mékong, Salouen, Yangzi Jiang. Six grands fleuves, qui tous prennent leur source dans la chaîne himalayenne et dont dépendent plus de 1,2 milliard d'habitants [1] . En ajoutant le bassin endoréique du Tarim, ces sept bassins fluviaux couvrent une superficie d'environ 6,5 millions de kilomètres carrés, plus de douze fois celle de la France. Seules les extrêmes parties amont des bassins, soit moins de un pour cent de la surface, sont englacées. Contrairement à l'idée reçue, ce ne sont pas les glaciers himalayens qui fournissent la grande majorité de l'eau à l'Asie, mais les précipitations. Car la plupart des pays de la région sont soumis au régime des moussons. Les pluies estivales y sont tellement intenses que, par exemple, dans le golfe du Bengale, à l'embouchure du Gange, les glaciers ne contribuent qu'à moins de 1 % du volume total d'eau écoulée, en moyenne annuelle. Cependant, la ressource en eau provenant des glaciers pourrait venir à manquer dans certaines régions arides. Surtout que, dans un contexte de réchauffement climatique, de moindres chutes de neige et une fonte printanière plus précoce occasionneront, pour les fleuves, des étiages plus longs [2] . Pour prévoir leur évolution comme celle de la ressource qu'ils procurent, ces glaciers, à la limite entre les influences tropicales et tempérées, commencent seulement à être mesurés de manière continue. Avec un total de 59 000 kilomètres carrés de surface englacée, les glaciers de l'Himalaya se répartissent sur plus de 2 500 kilomètres si l'on inclut ceux du Karakoram et de l'Hindu Kush [fig.1] . Les conditions climatiques qu'ils subissent sont très différentes à chaque bout de la chaîne qui s'étire du nord-ouest au sud-est. Au sud-est, le rôle de la mousson asiatique prédomine. Il pleut tellement en été que les fleuves se rechargent presque uniquement par le ruissellement de la pluie sur les bassins [...]

ISBN 978-2-7381-1400-6; Alors que s'ouvre l'Année polaire internationale, ce livre est d'abord un passionnant voyage à travers ce qu'on peut appeler la « Planète blanche », du Groenland à l'Antarctique, en passant par les glaciers des pays tempérés. Il retrace les expéditions et les expériences qui ont permis de mieux comprendre le monde des glaces. C'est surtout une pièce essentielle dans le débat autour du changement climatique. Quel climat demain ? Voici ce que nous disent les glaces.

International audience; L'étude tectono-sédimentaire préliminaire du bassin de Tim Mersoï confirme le contrôle exercé par les accidents majeurs N-S d'In Azaoua-Arlit, N30°E de Madaouéla et N70°E de Tin Adrar sur la géométrie du remplissage sédimentaire. Pour la période dévono-dinantienne, deux phases majeures de structuration ont été mises en évidence : une phase extensive, multi-épisode (du Dévonien au Viséen supérieur) et une phase transtensive débutant au Viséen terminal. Ces deux phases tectoniques majeures sont responsables de l'ouverture polyphasée du bassin. Pendant la phase extensive, la direction d'allongement qui était globalement N90°E au Dévonien, devient successivement N70°E puis N150°E au Viséen supérieur. Au cours de cette phase, les accidents majeurs précités ont été affectés, à des degrés divers, par des mouvements normaux. Au Tournaisien-Viséen inférieur, la succession d'épisodes de glaciation et de déglaciation a localement perturbé, le régime des contraintes. La phase transtensive du Viséen Terminal, caractérisée par des directions de compression N10° à N30°E et d'extension N100° à N120°E, est essentiellement contrôlée par la réactivation décrochante sénestre du Faisceau de Tin Adrar et le jeu normal du système de faille de Madaouéla. Cette tectonique transtensive synsédimentaire, contrôle étroitement la sédimentation de la Formation du Guézouman (faciès et géométrie des dépôts).

9782723460880; Un beau livre superbe et étonnant avec des photographies majestueuses pour appréhender les beautés des glaciers de la planète et comprendre les enjeux de leur survie face à l'épreuve du climat. ... Lire la suite Quel avenir pour les glaciers ? A l'aube du bouleversement climatique maintenant clairement annoncé, cette question n'a jamais été autant d'actualité. Pourtant que représentent ces menaces lorsqu'on sait qu'un glacier tout au long de sa vie gagne ou perd en volume ? comment croire à une disparition lorsqu'on voit de telles splendeurs ? De l'Alaska à la Patagonie, des Alpes à l'Himalaya et à la cordillère des Andes, cet ouvrage permet de découvrir les glaciers dans toute leur majesté grâce aux superbes photographies, et aide à comprendre les mécanismes de formation et les dynamiques de ces masses gelées avec des textes au contenu accessible. Les glaciers bougent, s'alimentent, interfèrent avec l'atmosphère. Empreintes du temps, ils regorgent d'information sur les climats passés. Constamment surveillés et mesurés par les scientifiques ils sont des indicateurs très performants des variations climatiques. Ils sont à la fois ressource pour l'homme mais aussi risque. Un fabuleux voyage au coeur de continents glacés, un livre pour voir et pour comprendre.

International audience; Le début du développement des systèmes travertineux holocènes du sud de la France était auparavant rattaché à la période du Préboréal, et l'accumulation carbonatée principale à « l'optimum bioclimatique atlantique ». La « mort » progressive puis le démantèlement des formations s'effectuaient entre le Néolithique et la Pax romana. De nouvelles recherches démontrent un démarrage beaucoup plus précoce de la travertinisa-tion dès le Tardiglaciaire. L'accumulation carbonatée perdure au Néolithique et ne s'interrompt réellement qu'au Petit Age Glaciaire. De nouvelles séquences plus complètes montrent l'importance du contexte géomorphologique dans la conservation des données stratigraphiques et leur représen-tativité. L'organisation des différents cycles sédimentaires au sein des formations travertineuses est précisée. Une définition des faciès carbonatés au regard des différentes caractéristiques des milieux de sédimentation est proposée. Des analyses paléoécologiques soulignent le caractère sensible des ensembles travertineux en fonction des modifications du biotope. Dès le Néolithique Final, dans un contexte d'augmentation des occupations humaines, les séquences enregistrent une série de ruptures. Ces perturbations sont accompagnées de changements de faciès et d'ouvertures fortes du milieu végétal mais ne modifient pas la tendance générale à la croissance des édifices. Ce n'est qu'entre le XIII ème et le XVII ème siècle après Jésus Christ que l'on note l'interruption de l'accumulation des travertins et le démantèlement des formations. C'est également dans le même intervalle que s'instaure la dynamique majeure d'incision linéaire des talwegs encore effective aujourd'hui. Mots clés : Travertin, Tardiglaciaire, Holocène, paléoécologie, Néolithique, incision linéaire historique, sud-est de la France. ABSTRACT POSTGLACIAL EVOLUTION OF TRAVERTINE ENVIRONMENTS IN THE FRENCH ALPS AND PROVENCE : NEW CHRONOLOGY, FACIES, AND MORPHOSEDIMENTARY DYNAMICS The beginning of the Holocene travertine system development in Southern France was formerly attributed to the Preboreal period and the main carbonated accumulation to the " bioclimatic atlantic optimum ". The progressive decline and the dismantlement occurred between the Neo-lithic and the end of Roman times. New research has shown the beginning of the travertine system development in the Lateglacial period. The car-bonated accumulation continued during the Neolithic and was only durably interrupted during the Little Ice Age. Newer complete stratigraphy has shown the importance of the geomorphological context in stratigraphical studies and their interpretation. The pattern of different sedimentary cycles within the travertinous formations became evident. Palaeo-ecological analyses undertaken have underlined the travertine sensitivity in accordance with biotope changes. Since the Final Neolithic, in the context of growing human occupation, ruptures in the travertine sequences have been recorded. These ruptures were accompanied by facies changing and strong vegetation opening in an ever growing travertine system. Between the XIIIth and the XVIIth century A.D., the decline and dismantlement of the travertine formations became noticeable. In the same way, the major final linear talweg incision was introduced in a morphogenic dynamic that is still happening today.

The substantial postglacial travertine formations recently found on the southern piedmont of the Grand Luberon contain numerous archeological remains, stratigraphically well isolated and linked to paleo-ecological (malacology, anthracology) data. The travertine sequences observed in several sections made downstream of the source of the Mirail (Peypin-d'Aigues) bear witness to local morphogenic evolution and may inform us about the possible relation between the organisation of of the morpho-sedimentary complexes and different phases of human occupation. The paleoenvironmental data gathered in the Verger site furnish us with an understanding of the evolution of the holocene landscape of the south Luberon. A test-pit undertaken on the Verger site in 2003 brought to light an occupation of the late Neolithic period. This constitutes a new documentary source relating to the end of the Neolithic in southeast France and particularly in the southern piedmont of the Grand Luberon., Les puissantes formations travertineuses postglaciaires récemment découvertes sur le piémont méridional du Grand Luberon contiennent de nombreux vestiges archéologiques, bien isolés en stratigraphie, associés à des données paléoécologiques (malacologie, anthracologie). Témoins de l'évolution morphogénique locale, les séquences travertineuses observées sur plusieurs coupes localisées en aval de la source du Mirail (Peypin-d'Aigues) nous renseignent sur les relations possibles entre l'organisation des complexes morpho-sédimentaires et les différentes phases d'occupation humaine. L'ensemble des données paléoenvironnementales récoltées sur la coupe du Verger permet d'appréhender l'évolution du paysage holocène du sud Luberon. Un sondage archéologique, réalisé en 2003 sur le site du Verger, a permis de mettre en évidence une occupation du Néolithique fi nal. Celle-ci représente une source documentaire nouvelle concernant la fi n du Néolithique dans le Sud-Est de la France, particulièrement pour le piémont méridional du Grand Luberon.

Collège de France; sous la direction de Edouard Bard; ISBN 978-2-7381-1660-4, 448 p.

International audience

10 pages

The analysis of isotope ratios is of increasing importance to study the sources and sinks of atmospheric trace gases and to investigate their chemical reaction pathways. In the frame of this thesis, the isotopic composition of methane trapped in firn air from an Arctic and an Antarctic sites has been measured. From firn profiles, and thanks to the recursive use of a physical model of diffusive gas transport through the firn, the evolution of atmospheric δ13 CH4 could be reconstructed for both sites. The compilation of existing data with this study results makes it possible to infer a δ13 CH4 evolution of about +0.03‰/an in the southern hemisphere and +0.007‰/an in the northern hemisphere, since 1950 AD. A sensible method for extraction and analysis of nitrous oxide in air occluded in polar ice has been developed and successfully tested, thus giving access to the N2O isotopic composition during pre-industrial era. The isotopic composition of N2O trapped in firn and ice from one Arctic and one Antarctic sites has been measured. The experimental profiles as well as the use of the diffusive model, also used for CH4, lead to the continuous evolution of the N2O isotopic signal in the atmosphere, since the industrial era. By combining both sites results, the evolution of δ15N2O, 1δ15N2O, 2δ15N2O et δ18(O)N2O could be inferred: it is about -2.7‰, -2.4‰, -3.0‰ et -2.0‰ since 1700 AD, respectively. A trend since 1970 AD could also be deduced. The isotopic enrichment observed in the case of methane and the isotopic depletion deduced for nitrous oxide confirm a major anthropogenic sources responsibility in the exponential growth of these gases concentration since pre-industrial times and allow to suggest more restrictive scenarios about involved sources and sinks. Finally, although an experimental set up dedicated to the analysis of carbon monoxide isotopic composition by continuous flow mass spectrometry was not sufficient enough to lead to a stable system, many improvements have been made in order to be able to measure the isotopic ratios of this gas, in a near future., L'analyse des rapports isotopiques revêt une importance croissante dans l'étude des sources et puits des gaz traces atmosphériques et dans la détermination des diverses réactions chimiques mises en jeu. Dans le cadre de cette thèse, la composition isotopique du méthane piégé dans l'air du névé d'un site Arctique et d'un site Antarctique a été mesurée. A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'application récursive d'un modèle de transport diffusif des gaz à travers le névé, l'évolution du δ13 CH4 dans l'atmosphère depuis 1950 AD a pu être reconstruite pour ces deux sites. La compilation de données existantes avec les résultats de cette étude a permis de déduire une évolution du δ13 CH4 de l'ordre de +0.03‰/an dans l'hémisphère sud et +0.007‰/an dans l'hémisphère nord, depuis 1950 AD. Une méthode d'extraction et d'analyse du protoxyde d'azote dans l'air occlus dans la glace polaire a été mise au point avec succès, donnant alors accès à la composition isotopique du N2O en période pré-industrielle. La composition isotopique du N2O piégé dans le névé et la glace d'un site Arctique et d'un site Antarctique a été mesurée. Les profils alors obtenus ainsi que l'utilisation du modèle de diffusion, également employé pour le CH4, ont donné accès à l'évolution continue du signal isotopique du N2O dans l'atmosphère depuis le début de l'ère industrielle. En couplant les résultats obtenus pour les deux sites, l'évolution du δ15N2O, 1δ15N2O, 2δ15N2O et δ18(O)N2O a pu être déduite : elle est de l'ordre de -2.7‰, -2.4‰, -3.0‰ et -2.0‰ depuis 1700 AD respectivement. Une tendance sur le signal depuis 1970 AD a également pu être obtenue. L'alourdissement du signal isotopique observé dans le cas du méthane et l'allègement obtenu dans le cas du protoxyde d'azote confirment une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation exponentielle de la teneur de ces gaz depuis la révolution industrielle et permettent de proposer des scénarii plus restrictifs sur les sources et puits impliqués. Finalement, bien que la mise au point d'un système expérimental dédié à l'analyse de la composition isotopique du monoxyde de carbone par spectrométrie de masse en flux continu n'ait pas été suffisante pour aboutir à un système stable, de nombreuses améliorations ont été apportées afin de pouvoir mesurer les rapports isotopiques de ce gaz dans un futur proche.

Extracted air from polar ices of Greenland and Antarctica constitute a real archive of the past atmospheres of our planet. The aim of this study was to understand the carbon fluxes under natural atmosphere in order to examine the future carbon cycle under anthropogenic atmosphere from the analyses of CO2 and CH4 atmospheric concentrations during the Holocene (the last 10,000 yBP). These results were analysed in the light of a three-box atmospheric model of methane. We estimated the\ nterpolar gradient then the relative contribution of methane sources in low and middle-high northem latitudes during the Holocene. Thanks to comparisons between temporal evolution of these sources, and paleoclimatic reconstructions based on continental and marine records, as weil as climatic models coupling atmosphere ocean vegetation systems, methane variations were attribuled to latitudinal variations in sources distribution. These CH4 changes allowed us to constrain the possible effects of each carbon reservoir on CO2 variations during the same period. The major conclusion of this work is that the ocean have played a key role and have initiated CO2 changes while continental biosphere could have played a regulator role, L'air extrait des glaces polaires du Groenland et d'Antarctique constitue une véritable archive des atmosphères passées de notre planète. L'objectif de cette étude était de comprendre les échanges de carbone en atmosphère naturelle et, à terme appréhender le cycle du carbone futur en atmosphère anthropisée, à partir de l'analyse des teneurs atmosphériques en dioxyde de carbone et méthane au cours de l'Holocène (les derniers 10000 ans). Afin d'interpréter ces profils obtenus dans la glace, nous avons utilisé un modèle atmosphérique du méthane à trois boîtes. Nous avons pu ainsi estimer le gradient interpolaire puis la part relative des sources de CH4 dans les basses latitudes ainsi qu'aux moyennes et hautes latitudes nord au cours de l'Holocène. En comparant l'évolution temporelle de ces sources aux reconstructions paléoclimatiques obtenues sur des enregistrements continentaux (carottes sédimentaires et lacustres) et marins, ainsi qu'à des simulations de modèles climatiques couplant l'atmosphère, l'océan et la biosphère, nous avons pu attribuer les variations de CH4 aux variations de distribution en latitude des sources potentielles de ce gaz. L'étude des variations de CH4 a ainsi permis de contraindre les effets possibles de chacun des réservoirs de carbone sur les variations de CO2 sur la même période. Nous concluons que le rôle de l'océan semble avoir été prépondérant et avoir initié les variations du CO2 sur les 10000 dernières années, tandis que la biosphère continentale pourrait avoir joué un rôle de régulateur .

Ice cores are a fantastic tool to study the past climate of our planet. Recently, the European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) allowed to extract the Dome Concordia ice core (75◦06′ S; 123◦21′ E). The first studies show that the last 740000 years of our climatic history are recorded. In this manuscript, a study on the microstructure (grain boundaries network) evolution along the Dome concordia ice core is presented. In a first part, we study the mean grain size evolution along the core which is showing sharp variations during climatic transitions. The analysis of the grain size distribution parameters as well as correlations between mean grain size and impurities content show that the dust particles decrease the normal grain growth rate during Glacial period. This can explain the observed grain size variations. The development of a mean field approximation model, which is able to calculate the mean grain size evolution, confirms quantitatively this result. It allows also to study the role of bubbles, clathrates and rotation recrystallization on the mean grain size. The geometry of the microstructure can also reveal the deformation of the ice layers. From a procedure developed initially to measure the deformation field of foams and which has been adapted to ice, we show that our measurements contradict two classical assumptions used to describe the ice deformation at a dome: (i) shearing is present and its value increases with depth, (ii) the vertical deformation is not homogeneous (some layers are more deformed than their neighbours). Classical glaciological dating models use these assumptions, therefore opening some questions on their validity. Then, we examine the impact of the vertical deformation heterogeneities on the dating. Particularely, we focus on the determination of the duration of brief events., Les carottes de glace sont un fantastique outil d'étude du climat de notre planète. Récemment, le projet européen EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) a permis d'extraire une carotte au Dôme Concordia en Antarctique (75◦06′ S; 123◦21′E). Les premières études montrent que les 740000 dernières années de notre histoire climatique y sont enregistrées. Dans ce manuscrit est présentée une étude de l'évolution de la microstructure (réseau de joints de grain) le long de la carotte de Dôme Concordia. Dans une premiére partie, nous nous concentrons sur l'évolution de la taille moyenne des grains qui présente de fortes variations synchrones avec les transitions climatiques. L'analyse des paramètres de la distribution de taille ainsi que les corrélations entre taille de grain moyenne et contenu en impuretès montrent que les particules de poussière ralentissent considérablement la croissance normale au cours des périodes Glaciaires, expliquant ainsi les variations observées. Le développement puis l'utilisation d'un modèle en champ moyen d'évolution de la taille de grain confirme quantitativement ce résultat et nous permet d'examiner le rôle des bulles, des clathrates et de la recristallisation par rotation sur la taille moyenne des grains. La géométrie de la microstructure est également le révélateur de la déformation subie par les couches de glace. Utilisant une technique d'analyse initialement développée pour l'étude du champ de déformation dans les mousses et adaptée au cas de la glace, il est apparu que nos mesures sont en contradiction avec deux des hypothèses généralement admises sur l'écoulement de la glace à un dôme : (i) le cisaillement n'est pas nul et sa valeur augmente avec la profondeur, (ii) la déformation verticale n'est pas homogène (certaines couches s'amincissent plus rapidement que leurs voisines). Les modèles de datation classiquement utilisés en glaciologie utilisent ces hypothèses, ce qui soulève quelques questions quant à leur validité. Nous nous sommes alors interrogès sur l'impact des hétérogénéités de déformation verticale sur la datation et tout particulièrement sur l'estimation de la durée d'évènements brefs.

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The presence of snow locally modifies the atmospheric concentrations of trace gases. This is confirmed by numerous and recent experimental observations that raised the interest of the scientific community on the physico-chemical processes involved in the air-snow interactions. Quantifying these mechanisms requires the knowledge of the Specific Surface Area (SSA) of snow, which is the surface area of snow accessible to gases. This basic parameter was poorly documented at the beginning of this study, essentially because it is very difficult to measure. The objective of this thesis consists in the measurement of the SSA of snow and in the understanding and modeling of its evolution during snow metamorphism (i.e. the morphological transformations of snow after deposition). A specific experimental setup was designed to measure the SSA by adsorption of methane on ice at 77K and a protocol of measurement was defined to fulfill the specific conditions imposed by the snow. More than 300 SSA values were obtained, which ranged from 100 to 1540 cm² g-1, with a reproducibility of 6% and an accuracy estimated at 12%. The 176 first results allowed to build a classification of snow as a function of the age and morphology of the snow crystals and the SSA was estimated in each class. This allows to evaluate the SSA within 40% uncertainty in the first confidence level, from a simple optical observation. The effect of metamorphism on the SSA of snow was studied in natural conditions. The SSA decreases with time, and this decrease is faster when the SSA or the temperature is high. Wind was observed to accelerates the SSA decrease. Optical and scanning electron microscopy observations were also made to understand the morphological changes associated to the decrase in SSA. Our observations confirm the usual theories of metamorphism and support the hypothesis that growth occurs by layer nucleation limited by the diffusion of water vapor in air. Unexpectedly, small, newly formed facets with sharp angles were detected, which was interpreted as sublimation initiated at emerging dislocations. The rate of SSA decrease was studied during isothermal experiments at -4, -10 and -15°C. It is very well fitted by a logarithmic law of the form SS=B-ALn(T+Δt) , where B is close to the initial SSA and A represents the rate of SSA decrease. A linear relationship has been found between A and B from 7 experiments at -15°C which suggests that the rate of SSA decrease of snow may be predicted by just knowing its initial SSA. The theories of transient Ostwald ripening explain the logarithmic law and this framework was used to build a mean-field model of isothermal metamorphism. This model allows the rapid calculation of the water vapor fluxes and the growth rate of the snow grains. It reproduces the evolution of the distribution of the radius of curvature of snow under isothermal conditions but it cannot predict the SSA because of a too cursory description of the geometry of snow., La présence d'une couverture neigeuse modifie localement la concentration de l'atmosphère en gaz traces. Ce constat récent a été confirmé par de nombreuses observations expérimentales et a attiré l'attention de la communauté scientifique sur les mécanismes physico-chimiques responsables des interactions air-neige. La quantification de ces mécanismes dépend largement de la connaissance de la surface spécifique (SS) de la neige qui représente la surface de glace accessible aux gaz. Ce paramètre indispensable était paradoxalement très mal connu au début de cette étude, en raison principalement des difficultés techniques liées à sa mesure. L'objectif de cette thèse était de déterminer la SS de la neige et de décrire son évolution sous l'effet du métamorphisme du manteau neigeux, c'est-à-dire sous l'effet des transformations morphologiques subies par la neige lors de son évolution post-dépôt. Un dispositif expérimental de mesure de SS basé sur l'adsorption du méthane sur la glace à 77K a été mis au point ainsi qu'un protocole de mesure adapté aux contraintes imposées par le matériau neige. Plus de 300 mesures ont été réalisées, pour des valeurs de SS comprises entre 100 et 1540 cm².g-1, avec une reproductibilité de 6% et une incertitude absolue estimée à 12%. Les premiers résultats ont permis de proposer une classification des types de neige en fonction de leur âge et de leur morphologie et une estimation de la SS a été proposée dans chaque classe. Une rapide observation visuelle permet ainsi d'estimer la SS à 40%. L'effet du métamorphisme sur la SS a été étudié en conditions naturelles. La SS décroît au cours du temps, d'autant plus vite que la SS est forte et que la température est élevée. Le vent accélère la décroissance. Des observations de la morphologie des grains de neige au cours du métamorphisme ont été réalisées par microscopie optique et surtout électronique et ceci confirme les théories usuelles du métamorphisme et sont en accord avec un mécanisme de croissance des grains par nucléation de couches, limitée par la diffusion de la vapeur d'eau dans l'air. L'apparition inattendue de facettes aux angles vifs sous faibles gradients de température a été interprétée par un mécanisme de sublimation initiée à l'émergence de dislocations. La décroissance de la SS en conditions isothermes a été étudiée en chambre froide à -4, -10 et -15°C. Cette décroissance est très bien reproduite par une fonction logarithmique de la forme SS=B-ALn(T+Δt), dans laquelle B est proche de la SS initiale et A représente la vitesse de décroissance de la SS. Une relation linéaire a été trouvée entre les paramètres A et B obtenus lors de 7 expériences à -15°C, qui suggère que la vitesse de décroissance de la SS peut être prédite à partir de sa seule valeur initiale. Les théories du mûrissement d'Ostwald en régime transitoire nous ont permis d'expliquer la décroissance logarithmique et de mettre au point un modèle numérique en champ moyen du métamorphisme isotherme. Ce modèle permet de calculer rapidement les flux de vapeur et les taux de croissance des grains de neige. Il reproduit l'évolution de la distribution de rayons de courbure de la neige, mais pas celle de la SS en raison d'une description trop sommaire de la géométrie de la neige.

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The earth's climatic system consists in several components which strongly interact (atmosphere, ice sheets, oceans, lithosphere and biosphere). Numerical modelling is one among the appropriate tools for studying these interactions. In this work, Antarctic ice sheet evolution is modelled. For this we use a 3D model developped at the Laboratoire de Glaciologie et Geophysique de l'Environnement which takes into account thermomechanical coupling between velocities and temperatures in ice and specifi c case of ice-shelfs First the model was improved on many points like deformation law, friction law under ice-streams, heat deformation, basal melting parametrisation under ice-shelves and numeric modifi cations. Di fferent simulations indicate that the ice sheet behaviour is asymmetric during glaciation or deglaciation. We validate all the model modi cations with a simulation of the last four climatic cycles. Simulations for futur show a negligible contribution for the next centuries which becomes important on the longer term. Results are founds to be very sensitives to bedrock map. Finally, model resolution has been changed from 40 km to 20 km and allow to take into account ner bedrock structures., Le système climatique terrestre est forme de plusieurs composantes qui interagissent étroitement (océans, atmosphère, calottes de glace, biosphère et lithosphère). La modélisation numérique permet d' étudier ces interactions. Dans ce travail, nous avons modélisé l' évolution de la calotte de glace Antarctique, le plus grand réservoir d'eau douce sur Terre. Nous avons utilisé le modèle 3D développé au LGGE. Il tient compte du couplage thermomécanique entre les vitesses et les températures dans la glace et de l' écoulement spécifique de la glace flottante. Le modèle a été amélioré sur plusieurs points : la loi de déformation de la glace, la loi de frottement sous les fleuves de glace, le calcul de la chaleur de déformation et la paramétrisation de la fusion sous les plates-formes de glace flottante. De plus, des modifications numériques ont été apportées. Différentes expériences ont montré une grande asymétrie de comportement de la calotte en englacement et déglacement. Une simulation des quatre derniers cycles glaciaires-interglaciaires a permis de valider les modifications effectuées sur le modèle. Les résultats indiquent que, dans le futur, la contribution de l'Antarctique à l'augmentation du niveau des mers pour les prochains siècles devrait être négligeable, puis s'accentuer ensuite. Nous avons aussi montré la forte sensibilité des résultats à la carte de socle utilisée en entrée du modèle. Enfin, la résolution du modèle a été augment ée en passant d'une maille de 40 km à 20 km, ce qui permet de mieux prendre en compte les structures fines de la topographie.

Increasing evidence indicates that reactive gases such as aldehydes and NOx are emitted from the snowpack to the atmosphere. This partly explains why atmospheric chemistry over snow-covered surfaces cannot be simulated by models using gas-phase processes only. Formaldehyde and acetaldehyde were simultaneously measured in the snow and in the atmosphere during both winter and spring campaigns of ALERT2000 in the Canadian Arctic. These measurements allowed us to suggest that HCHO was incorporated in the volume of ice crystals and was photochemically produced in the snowpack. These results were confirmed by laboratory experiments : we performed a preliminary study of the HCHO-H20 solid solution, and we obtained a diffusion coefficient value of HCHO in ice (DHcHo = (8±5)x10-11 cm2 S-1 at -15°C) which is consistent with the hypothesis that formaldehyde is incorporated in the ice lattice and ils concentration evolves by solid stale diffusion., Ces demières annèes, de nombreuses mesures en région polaire ont montré que les concentrations de certains gaz traces réactifs (aldéhydes, oxydes d'azote) étaient très supérieures à ce que la chimie en phase gazeuse pouvait expliquer. Les hypothèses actuellement retenues pour expliquer ces observations comprennent l'émission de composés dissous ou adsorbés dans la neige, et leur production photochimique dans le manteau neigeux, à partir de composés à identifier. Afin de tenter d'expliquer les rapports de mélange du formaldéhyde (HCHO) et de l'acétaldéhyde (CH3CHO) dans l'arctique, des mesures simultanées ont été effectuées dans l'atmosphère et dans la neige, au cours de la campagne ALERT 2000, à Alert (Ellesmere Island, 82,5° N, 62,3° W) en février et avril 2000. Le développement préalable d'une méthode d'analyse sensible de ces composés dans la neige a été nécessaire. Les évolutions temporelles des concentrations en formaldéhyde (HCHO) et en acétaldéhyde (CH3CHO) dans les couches de neige fraîches ont été suivies pendant plusieurs jours. Comme le métamorphisme de la neige conduit à des cycles de sublimation/condensation à la fois de la glace et des espèces dissoutes, nous avons également suivi l'évolution de la microphysique de la neige. Les résultats obtenus nous ont permis de tester différents mécanismes possibles d'incorporation des aldéhydes dans la neige. Connaître le mécanisme prédominant est nécessaire pour quantifier la vitesse d'échange air-neige de ces composés. Les mécanismes possibles incluent l'adsorption à la surface des cristaux de neige, et la dissolution dans leur volume. Les données obtenues ont permis de tester ces différents mécanismes, et d'apporter des éléments nouveaux sur les processus par lesquels le manteau neigeux pouvait avoir un impact important sur la chimie de l'atmosphère. Nous avons notamment émis l'hypothèse que le formaldéhyde était incorporé en volume dans les cristaux de neige et que les échanges avec l'atmosphère se faisaient par diffusion en phase solide. La vérification de ces résultats nécessitait cependant une confirmation par des expériences en laboratoire. Nous avons donc effectué une étude préliminaire de la solution solide HCHOH20 et nous avons obtenu le coefficient de diffusion du formaldéhyde dans la glace (DHCHO) à -15°C : DHCHO = (8±5j x10*11 cm2 s-1 . Cette valeur de DHCHO permet d'expliquer les variations des concentrations en formaldéhyde dans la neige que nous avons observé sur le terrain.

The aim of this study is to bring new elements concerning the astronomical theory of paleoclimates using two tools : glaciological dating of polar ice cores using an inverse method and conceptual models of paleoclimate. We show how an inverse method applied to the glaciological dating model enables us to obtain an optimal chronology and to analyse its uncertainties. It is not possible to obtain a chronology for Vostok that satisfies all chronological constraints, probably because of our poor knowledge of the conditions along the ice flow line, upstream of Vostok. The chronologies for Dome C and Dome F are coherent with the constraints, meaning that the simple glaciological model used in the case of a dome is adequate. The Dome F case allows us to show that the Devils Hole record is probably biased by local conditions, and suggest that the phase relationship between insolation and Antarctic temperature is roughly constant. We also confirm that thinning is more important in the upper part of the ice sheet for a dome than for the rest of the flow line. Moreover, we suggest that estimates of the accumulation during glacial periods based on saturation vapour pressure and spatial isotope−surface temperature relationships are overestimated by ~30%. The conceptual model we developed yields a description of the sea level variations during the Quaternary as a response to the insolation forcing. We show that sea level variations can be explained with a conceptual model forced by insolation changes. In particular, we justify why the most important sea level transitions occurred when insolation changes were the weakest. Moreover, we show that small insolation−climate phase variations during deglaciations are compatibles with the astronomical theory of paleoclimate., L'objectif de cette thèse est d'apporter des éléments nouveaux concernant la théorie astronomique des paléoclimats au travers de deux outils : la datation glaciologique des forages polaires grâce à une méthode inverse et les modèles conceptuels de climat. Concernant la datation des forages polaires, nous montrons l'intérêt d'appliquer une méthode inverse au modèle de datation glaciologique pour obtenir une chronologie optimale et en analyser les incertitudes. Pour Vostok, il n'est pas possible d'obtenir une chronologie qui satisfasse toutes les informations chronologiques, probablement à cause d'une méconnaissance des conditions en amont de la ligne d'écoulement. Les chronologies pour Dôme C et Dôme F sont cohérentes avec les contraintes, ce qui signifie que le modèle glaciologique simple utilisé pour ces dômes est adéquate. Le cas de Dôme F nous permet de montrer que l'enregistrement de Devils Hole est probablement biaisé par des conditions locales et suggère que les déphasages entre insolation et température Antarctique sont grossièrement constants dans le temps. Nous confirmons par ailleurs que l'amincissement est plus fort dans le haut du glacier dans le cas d'un dôme que pour le reste de la ligne d'écoulement. Nous suggérons de plus que l'estimation de l'accumulation des périodes glaciaires par la relation de pression de vapeur saturante associée à la relation spatiale isotope−température de surface est surestimée d'environ 30%. Le modèle conceptuel que nous avons développé nous permet de décrire les variations de niveau des mers du Quaternaire en tant que réponse au forçage de l'insolation. En particulier, nous justifions pourquoi les transitions les plus importantes de niveau des mers ont eu lieu lorsque les changements d'insolation étaient les plus faibles. De plus, nous montrons que des variations faibles de déphasage insolation−climat lors des déglaciations sont compatibles avec la théorie astronomique.

Interstitial air extracted from the firn at 4 polar sites has given access to air samples aging back to a hundred years in sufficient amount for isotopic analysis of CH4, a gas considered to be the second most important responsible for man-induced greenhouse effect. Thus, after optimization of a particularly sensible experimental device (CF-IRMS), 13CH4/12CH4 ratio of air samples pumped in the firn at different depths were measured, whose results lie in remarkable agreement with ratios measured using another experimental method (TDLAS) at the MPI in Mayence (Germany). The recursive use of a physical model of diffusive gas transport in the firn then allowed us to infer, from firn profiles, the likely evolution of atmospheric 13CH4/12CH4 ratio over the last century. This new constraint on CH4 atmospheric budget thus enabled us to confirm the existing assumption of a domining anthropogenic activities responsibility in the 150 % growth of atmospheric methane concentration since pre- industrial times. This constraint has also been applied into a global atmospheric model to test the relevance of a scenario assuming a 20% decrease of the oxidizing capacity of the atmosphere since 1885. Besides, a collaboration with the PSSRI from Open University (United-Kingdom) allowed us to resume development of a method for measurement of CH3D/CH4 ratio in air, and to try to apply it to samples extracted at 2 polar sites and already analyzed in 13C/12C. A sensible method for extraction and analysis of CH4 in air trapped in polar ice has also been developed and successfully tested, which has now to be applied for analysis of pre-industrial air., L'air interstitiel extrait du névé de 4 sites polaires nous a donné accès à des échantillons atmosphériques âgés jusqu'à une centaine d'années en quantité suffisante pour l'analyse de la composition isotopique du CH4, considéré comme le second gaz responsable de l'effet de serre induit par l'Homme. L'optimisation d'un dispositif expérimental particulièrement sensible (CF-IRMS) nous a ainsi permis de mesurer le rapport 13CH4/12CH4 d'échantillons d'air pompé à diverses profondeurs du névé dont les résultats, sur 2 des 4 sites étudiés, sont en remarquable concordance avec les rapports mesurés par une autre méthode (TDLAS) au sein du MPI de Mayence (Allemagne). A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'utilisation récursive d'un modèle physique de transport diffusif des gaz à travers le névé, nous avons alors pu reconstruire un historique probable du rapport 13CH4/12CH4 dans l'atmosphère au cours du dernier siècle. La contrainte ainsi apportée sur l'évolution du bilan atmosphérique du CH4 nous a permis de confirmer l'hypothèse existante d'une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation de 150 % de la teneur en CH4 de l'atmosphère depuis la révolution industrielle. Nous avons également utilisé cette contrainte afin de valider, à travers l'utilisation d'un modèle atmosphérique global, la pertinence de l'hypothèse d'une réduction de 20 % de la capacité oxydante de l'atmosphère depuis 1885. Par ailleurs, une collaboration avec le PSSRI de l'Université d'Open (Royaume-Uni) nous a permis de reprendre la mise au point d'une technique de mesure du rapport CH3D/CH4 dans l'air, que nous avons tenté d'appliquer aux échantillons provenant de 2 des 4 sites déjà considérés en 13C/12C. Enfin, nous avons mis au point et testé avec succès une méthode sensible d'extraction et d'analyse du CH4 de l'air contenu dans les glaces polaires, qui pourra par conséquent être mise en oeuvre pour l'analyse de l'air pré-industriel.

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Snow covers up to 50% of land masses in the northern hemisphere in winter and its potential for interaction with the atmosphere has been demonstrated by studies in Polar Regions. This can proceed by complex processes that include heterogeneous reactions on the snow surface, adsorption/ desorption of gases, sublimation of snow and its solutes and co-condensation of water vapor and other gases. Understanding and quantifying theses processes requires the knowledge of physical parameters among which the specifie surface area (SSA) of snow. It represents the surface area accessible to gases per mass unit. ln spite of the Importance of this parameter, few data have been obtalned earlier, which led us to perform this study on the SSA of snow and its evolution ln the snowpack. SSA was measured by methane adsorption at liquid nltrogen temperature (77K). In order to understand processes involved ln SSA evolution, photomacrographs and plctures obtained by scanning electronic microscopy were used. SSA values obtained were in the range 1540 to 400 cm2/g for fresh snow. Values decrease down to 100 cm2/g for aged snow. This decrease results from morphological changes associated to snow metamorphism. Temperature and wind are the main factors which drive the kinetics of SSA decrease. At AJert (Canadian Arctic), a detailed study of the microphysics of the snowpack allowed the measurement of the uptake capaclty of adsorbable trace gases by the snowpack. The total surface area of the snowpack ranged from 1160 to 3710 m2/m2. Therefore, we demonstrated that snowpack may sequester most of the species in the (snow + boundary layer) system. SSA values were also used to determinate incorporation pro cesses of formaldehyde in snow., La neige recouvre jusqu'à 50 % des surfaces émergées de l'hémisphère Nord en hiver. Une telle importance de la glace à la surface de la terre suggère un fort potentiel d'interaction avec l'atmosphère. De telles interactions ont été mises en évidence ces dernières années, et impliquent des processus complexes, comme la catalyse de réactions hétérogènes ou l'échange de gaz traces réactifs adsorbés à la surface des cristaux de neige, la diffusion en phase solide, les cycles de sublimation/condensation de glace qui entraÎnent des solutés. Leur compréhension et leur quantification requièrent la connaissance de divers paramètres physiques dont la surface spécifique (SS) de la neige, définie comme la surface accessible aux gaz par unité de masse. L'importance de ce paramètre et le peu de données existant dans la littérature a incité à effectuer ce travail sur l'étude de la SS de la neige et son évolution dans le manteau neigeux. La SS a été déterminée par adsorption de méthane à la température de l'azote liquide (77 K). Afin de comprendre les processus responsables de l'évolution de la SS, des macrophotographies et des images obtenues par microscopie électronique à balayage ont été utilisées. L'ensemble de nos résultats (176 mesures de SS) obtenus dans les Alpes et l'Arctique a montré que la SS de la neige est très variable: elle est comprise entre 1540 et 400 cm2/g pour les neiges fraîches et peut descendre jusqu'à 100 cm2/g pour des vieilles neiges. L'étude de l'évolution de la SS indique une décroissance avec le temps qui est due aux transformations morphologiques liées au métamorphisme de la neige. Celles-ci sont essentiellement caractérisées par un arrondissement et un grossissement des cristaux, et par la sublimation des petites structures. La vitesse de décroissance de la SS a également été étudiée à différentes températures. Nos résultats ont montré que la température et le vent sont les deux principaux facteurs qui déterminent la cinétique de décroissance de la SS. A Alert, (Arctique canadien), l'étude détaillée de la microphysique du manteau neigeux a permis de mesurer directement la capacité d'adsorption de gaz traces réactifs par le manteau neigeux. Sa surface totale a été mesurée entre 1160 et 3710 m2/m2. Nous avons ainsi démontré que le manteau neigeux pouvait séquestrer une *grande partie des espèces présentes dans le système (neige + couche limite). Les meSures de SS ont également été utilisées pour déterminer les processus d'incorporation du formaldéhyde dans la neige.

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The objective of this work is to identify and understand the importance of the various physical phenomena involved in the interaction between tyre and ice. On one hand, many legislations tend to prohibit the use of studded tires and the actual aim is to obtain high friction on ice by other means. In order to understand the physical mechanisms which act during the scraping of ice, an experimental device was designed. It allows to measure three types of friction coefficients between various indenteurs and ice. A sledge supported by four friction blacks is launched by a pendulum on a 2m30 long horizontal ice track. Coefficients of friction are evaluated by means of digital image analysis or embarked accelerometer. On the other hand, an experimental prototype for measurement of friction between rubber and ice was developed to simulate the behavior during braking with locked wheel. An elastomer specimen of area lower than 20 cm2 is applied on a rotating dise of ice. Normal and tangential forces are measured by a sensor directly fixed on the sample. Observations of the facies of ice surface with a binocular provide qualitative characterization of friction . Experimental conditions are: nominal normal stress from 1 to 4 bars, sliding speed from 2 to 11 m/ s, ambient temperature between -20 and -5C. A decrease of one of these three parameters increases measured friction coefficient. Exposed results show also the effect of track wear, sample heating, contact area and distribution of normal stress., L'objectif de ce travail est d'identifier et de comprendre l'importance des différents phénomènes physiques intervenant dans l'interaction pneumatique-glace. D'une part, les législations interdisent de plus en plus l'usage des pneumatiques cloutés et l'objectif est aujourd'hui d'obtenir un frottement élevé sur la glace par d'autres moyens. Afin de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu lors du grattage de la glace, nous avons conçu un dispositif expérimental permettant de mesurer trois types de coefficients de frottement entre différents indenteurs et la glace. Un patin supporté par quatre frotteurs est frappé par un pendule et lancé sur une piste horizontale de glace de longueur 2m30. Un traitement d'images ou un accéléromètre embarqué permettent d'accéder aux coefficients de frottement. D'autre part, un prototype expérimental de mesure de frottement elastomère-glace a été développé pour simuler le comportement lors d'un freinage en roue bloquée. Un patin d'élastomère d'aire apparente inférieure à 20 cm2 est appliqué sur un disque de glace en rotation. Les efforts normal et tangentiel sont mesurés par l'intermédiaire d'un capteur fixé directement sur le patin. Des observations du facies de la surface de glace à la loupe binoculaire fournissent une caractérisation qualitative du frottement. Les conditions expérimentales sont : contrainte normale nominale de 1 a 4 bars, vitesse de glissement de 2 à 11 m/s, température ambiante de -20 à -5C. Le coefficient de frottement mesuré augmente avec une diminution de l'un de ces trois paramètres. Les résultats exposés montrent aussi les effets de l'usure de la piste, de l'échauffement du patin, de l'aire de contact et de la répartition de la contrainte normale.