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Thèse soutenue par Arnaud DEVOIR, le 2 octobre 2020, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

Les roches métamorphiques et magmatiques sont les composantes majeures de la croûte continentale terrestre. Parmi ces roches figure un minéral, le grenat d’un intérêt tout particulier, en ce sens, où sa composition chimique varie en fonction des conditions de pression et température à laquelle il se forme. Ce minéral rouge et de morphologie proche d’une sphère intègre aussi de nombreux éléments à l’état de trace (ppm, partie par million). En utilisant les propriétés spécifiques de chacun de ces éléments et notamment leur mobilité au sein du minéral, il est possible de déchiffrer, entre autres, les enregistrements de sa température, pression, chimie de roches environnantes, son temps de résidence à certaines températures et ses origines, s’il a été déplacé après sa cristallisation.

La zone d’Ivrea-Verbano, en Italie du Nord, est une section de la croûte inférieure d’âge Permien, environ 290 Ma, qui a été basculée à 90° et exhumée lors de la collision alpine, il y a environ 40 Ma. Elle constitue un laboratoire naturel unique au monde permettant de se déplacer au sein de la croûte inférieure à la surface terrestre.

Elle est constituée de roches métamorphiques ayant subi des conditions de 700 °C – 7 Kbar (~ 21 km) à 950 °C – 10 Kbar (~ 30 km) ainsi que d’un complexe magmatique de roche pauvre en Silice (gabbros) dont nombres contiennent du grenat. Le pluton granitique de Borgosesia riche en silice ayant cristallisé à des profondeurs beaucoup plus superficielles (3 Kbar, ~ 9 km) est le résultat de l’évolution et de l’interaction du complexe magmatique et des roches métamorphiques environnantes. Une caldera fossile d’environ 13 km de diamètre est associée au complexe magmatique, appelé le Supervolcan de Sesia. Un équivalent actuel est le Supervolcan de Yellowstone.

Cette thèse est le résultat de l’observation et de l’analyse de la microchimie à l’échelle du microns (10^-6 m) à haute précision (sub ppm). Il a été possible de mettre en évidence que les grenats présents dans le pluton granitique ont une origine multiple avec un coeur métamorphique et une couronne de surcroissance magmatique. Ces surcroissances et la composition en Zirconium du granite montrent une mise en place du magma au cours, au minimum, de deux pulses de magma de température de 820 ± 10 °C et 780 ± 10 °C.

Les variations de compositions du grenat entre le coeur et ces surcroissances ont été modélisées numériquement et fournissent des informations sur la durée de persistance de ces températures de respectivement 7400 et 5800 ans suivi par une vitesse de refroidissement initial de 0.64 °C par millier d’année.

Parallèlement, des blocs de roches métamorphiques appelés enclaves sont présents dans ce granite et contiennent eux aussi des grenats. Ils ont préservé un enregistrement de leurs conditions de croissance métamorphique, régionale pour leur coeur et induit par le magma dans leur surcroissance. Le coeur s’est formé à environ 6.8 ± 1.2 Kbar (~ 20.4 km) et 715 ± 43 °C. La comparaison de la chimie des terres rares de ces grenats avec les grenats que l’on trouve dans les roches métamorphiques environnantes ont confirmé ces résultats.

De manière similaire, le coeur du grenat présent dans le granite a probablement une origine plus profonde proche de 9 – 11 Kbar (~ 30 km). La modélisation de la variation de composition des grenats des enclaves indique des durées similaires à celles obtenues pour les grenats du granite, 1000 à 6200 ans à 820 °C. Cela montre que les grenats peuvent cristalliser en profondeur (~ 20 à 30 Km) avant d’être entrainé et de survivre par un magma riche en silice à haute température jusqu’à des faibles profondeurs (~ 9 km). Cette étude démontre aussi la courte durée des processus de mise en place du pluton granitique à l’échelle des temps géologiques. Ces dynamiques de mise en place en de court pulses magmatiques sont de plus en plus observées à la fois dans la zone d’Ivrea- Verbano et ailleurs sur terre par des études et méthodes indépendantes.

La mise en évidence de ces dynamiques et de ces fortes interactions entre roche métamorphiques et roches magmatiques en contexte de haute température fournissent une aide précieuse à la compréhension des phénomènes volcaniques associés. De même aux dynamiques d’éruptions volcaniques de type explosives dans de grandes calderas similaires à la caldera de Yellowstone qui constituent un risque majeur de la région. La compréhension de ces phénomènes accroit les capacités humaines à prédire des éruptions potentiellement dangereuses et catastrophiques.

Thèse soutenue par Harsh BERIA, le 30 septembre 2020, Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST)

Le changement climatique modifie mondialement les schémas de précipitation et entraîne des changements sans précédent dans les différentes facettes du cycle de l’eau. Afin d’être préparés aux potentiels effets négatifs dus au changement climatique sur les ressources en eau, nous devons améliorer notre compréhension du cycle de l’eau. Les traceurs environnementaux tels que les isotopes stables de l’eau constituent un moyen pour démêler le complexe réseau des processus du système terrestre. Ces isotopes stables de l’eau sont naturellement présents aussi bien dans la pluie que dans les chutes de neige, ce qui en fait un traceur idéal pour suivre le parcours d’une particule d’eau tout au long de son cycle de vie.

Dans cette thèse, j’utilise les isotopes stables de l’eau pour améliorer la représentation des processus hydrologiques se produisant dans les paysages montagneux dans les modèles de pluie et de ruissellement.

Dans le premier chapitre, j’entreprends un examen complet des différentes façons dont les isotopes stables de l’eau ont été utilisés dans l’hydrologie et en particulier de la neige, en mettant l’accent particulier sur les environnements montagneux. Cette revue explique les différentes transformations qu’une particule d’eau subit une fois dans le paysage, par la pluie ou par les chutes de neige.

Dans le deuxième chapitre, je construis un nouveau modèle mixte bayésien qui tire de précieuses informations des données isotopiques de l’eau, tout en tenant compte des nombreuses limites des données de terrain.

Dans le troisième chapitre, je propose un nouveau cadre de modélisation hydrologique qui utilise les informations dérivées des isotopes stables de l’eau, comme illustré dans le chapitre 2, pour construire des modèles fiables de précipitations et de ruissellement, ceci en limitant à la fois la célérité et la vitesse des bassins versants. Ce cadre de modélisation est évalué de manière exhaustive dans Vallon de Nant, un bassin versant des Alpes suisse.

Enfin, dans le quatrième chapitre, j’utilise les isotopes stables de l’eau, l’analyse par récession du débit des cours d’eau et un modèle conceptuel des eaux souterraines pour montrer comment le changement climatique pourrait augmenter la recharge souterraine en eaux dans les Alpes suisses.

Cette thèse améliore donc notre compréhension des processus hydrologiques dominants qui se produisent dans les environnements montagneux, et fournit une nouvelle approche pour paramétrer ces processus dans les modèles de pluie et de ruissellement. Les principales conclusions sont résumées dans le dernier chapitre, où je souligne également les défis pratiques de l’hydrologie isotopique et propose des orientations de recherche pour l’avenir.

Thèse soutenue par Martin FRANZ, le 25 septembre 2020, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

Les tsunamis générés par des glissements de terrain sont des phénomènes complexes qui impliquent la dynamique des glissements de terrain, leurs interactions avec un plan d’eau, la génération des vagues, leurs propagations et leurs débordements sur les berges.

Beaucoup d’évènements historiques illustrent tragiquement l’impact de tels phénomènes et de nombreuses régions dans le monde sont à risque. Dans le but d’évaluer cet aléa, les modèles prédictifs de nature numérique, sont de nos jours des outils indispensables.

Dans le cadre de cette thèse de doctorat un modèle numérique relativement simple et efficace a été développé. Il permet de quantifier l’impact de tsunamis généré par des glissements de terrain tant pour les plans d’eau que pour les zones inondables. Le modèle numérique se base sur les équations de Saint-Venant et est constitué de deux couches. L’une simule le glissement de terrain et l’autre l’eau.

Le modèle développé a été testé et comparé à des modèles analytiques et sur des cas réels. Il reste simple mais compense cette simplicité par la haute résolution du calcul numérique. Les comparaisons avec des expériences physique et des observations démontrent l’efficacité du modèle. La finalité d’un tel modèle est d’être prédictif. Poursuivant cette objectif, ce modèle a servi à évaluer les risques de submersion dans la région du barrage de Verbois. Cette étude était intégrative, puisque dans le même temps l’aléa de rupture du glissement de terrain pouvant générer un tsunami a été évalué. Par ailleurs, cette étude a aussi permis d’observer l’effet de la baisse d’un plan d’eau sur la réactivation d’un glissement de terrain.

Le modèle développé répond parfaitement aux impératifs de la gestion des risques associés aux tsunamis générés par des glissements de terrain, à savoir un nombre de paramètres restreints, l’efficacité du calcul numérique et l’adéquation avec les expériences et les cas connus.

Thèse soutenue par Moctar DEMBELE, le 11 septembre 2020, Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST)

Competition for scarce water resources in the Volta River Basin (VRB) of West Africa will increase in the near future due to the combined effects of rapid population growth and climate change. Residents are dependent on subsistence, mainly rainfed agriculture that is sensitive to climate variabilities. Recurrent floods and droughts damage properties and take lives. Information on water resources and their future trends is fundamental for water actors, as the basis for proper management and implementation of adequate measures to bolster resilience to water scarcity and foster water security.

This PhD thesis proposes a clear demonstration of combining the Water Accounting Plus (WA+) framework with hydrological modelling and climate change scenarios to report on the current and future states of water resources in the VRB. WA+ is a standardized framework that provides a comprehensive view of the water resources in terms of water availability and consumption uses with respect to different land uses.

The adopted methodological framework addresses key challenges posed by large-scale hydrological modelling in data scarce environments such as the VRB. These challenges include the issue of missing data in of streamflow records, the reliability of satellite and reanalysis data for forcing or calibrating hydrological models as an alternative to in-situ measurements, and the accuracy of the spatial and temporal representation of hydrological processes with spatially explicit models. A novel multivariate model calibration strategy is proposed to improve the representation of hydrological flux and state variables simulated with the fully distributed mesoscale Hydrologic Model (mHM). The proposed calibration strategy relies on the use of multiple satellite and reanalysis datasets from various sources. Then, a large ensemble of climate models are used to assess the impacts of climate change on water resources under various scenarios. The outputs of the mHM model are used to feed the WA+ framework to comprehensively report on the current and future conditions of water resources in the VRB.

The results show a clear increase in the projected exploitable water fraction while a decrease is expected in the available water fraction in the near future (2021-2050). Consequently, there is a clear need for adaptation measures to increase the water storage capacity in the VRB to facilitate a good exploitation of the projected increase in the net inflow, which would be beneficial for agriculture production and hydropower generation.

Thèse soutenue par Nadja F. STALDER, le 10 septembre 2020, Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST)

La topographie de la Terre est déterminée par les forces tectoniques et les processus d’érosion. La tectonique des plaques contrôle la distribution et les positions des continents et crée les montagnes, les océans et les îles. Comme elle régit l’activité volcanique et la vitesse d’expansion des fonds océaniques, elle est aussi le contributeur principal de l’émission de CO₂ dans l’atmosphère, ce qui détermine la température et donc le climat. De plus, la création des montagnes altère la circulation atmosphérique: le relief agit comme une barrière qui empêche le transport d’humidité d’un versant à l’autre. Le climat, en revanche, contrôle l’érosion et la sédimentation et peut donc changer le bilan de masse dans les chaînes de montagnes. Bien que prédites par des modèles numériques, ces interactions sont très rarement observées sur le terrain. Cette étude présente l’utilisation de la thermochronologie pour mieux comprendre les relations entre le climat, la tectonique et l’érosion.

Les Andes d’Amérique du Sud s’étendent sur plus de 7000 km le long de la marge de subduction chilienne, traversent plusieurs zones climatiques, du désert d’Atacama à l’Antarctique, et présentent des altitudes moyennes supérieures à 4000 m.s.m. Dans ce travail, j’utilise les Andes centrales (latitude 18-36° S) pour étudier les influences respectives du climat et de la tectonique sur l’érosion à différentes échelles spatiales (quelques km à l’étendue d’une chaîne) et temporelles (milliers à millions d’années). Les taux d’érosion sont quantifiés par la modélisation des données thermochronologiques et comparés aux histoires climatiques et tectoniques issues des observations sédimentaires.

Tout d’abord, je présente 238 nouveaux âges thermochronologiques qui sont ajoutés à 744 âges issus de la littérature. Ces âges permettent de quantifier les taux d’érosion des Andes centrales au cours des 80 derniers millions d’années. L’étude des corrélations entre l’évolution des taux d’érosion et les changements tectoniques et climatiques révèle que l’activité tectonique soutient un taux d’érosion de base qui est fortement impacté par le climat. Les taux d’érosion dans la partie Nord-Ouest des Andes centrales sont petits (< 0.2 mm/an) à cause des précipitations réduites et de la faible activité tectonique. Au contraire, les taux d’érosion dans la partie Est reflètent le début et la propagation de la déformation vers l’Est et sont augmentés par l’établissement du système de mousson sud-américaine il y a environ 10 millions d’années. Les taux d’érosion les plus élevés sont observés pendant les deux derniers millions d’années. Ils proviennent des régions qui sont tectoniquement actives et qui reçoivent des précipitations abondantes et/ou qui étaient autrefois glaciaires.

Dans la deuxième partie, je concentre mes recherches sur une zone d’étude plus petite (33-35° S). Elle présente un fort gradient Nord-Sud de précipitations dans un cadre tectonique déjà bien étudié. Suite à une expansion vers le Nord de l’influence des vents d’Ouest, les précipitations dans cette région ont augmenté pendant les périodes glaciales, ce qui a entraîné l’avancement des glaciers. Ici, j’applique un nouveau thermochronomètre, basé sur la thermoluminescence, qui permet d’obtenir des séries temporelles des taux d’érosion sur les dernières 100’000 années. Je constate que les taux d’érosion étaient élevés (40-60 mm/an) il y a plus de 40’000 ans et sont plus faibles (~4 mm/an) dans des périodes plus récentes. La diminution des taux d’érosion correspond à la fin de la dernière période glaciaire, lorsque les glaciers ont recouvert une grande partie de la Terre. Les taux d’érosion élevés pendant cette période sont alors expliqués par l’apparition d’érosion glaciaire et l’augmentation des précipitations. Cependant, la région étudiée est et a été tectoniquement active. Donc, on ne peut pas exclure que le soulèvement des roches, induit par la tectonique, soit le facteur principal contrôlant les taux d’érosion élevés observés au cours des deux derniers millions d’années. Pour vérifier si les âges thermochronologiques observés dans cette région peuvent être expliqués par l’activité tectonique, j’utilise un modèle pour prédire les âges attendus par cette activité. Le résultat montre un décalage important entre les âges observés et les âges prévus. Cela indique que l’activité tectonique ne peut pas être la raison principale des taux d’érosion élevés.

Cette étude conforte l’idée que le refroidissement global et le début des glaciations ont eu un impact prononcé sur l’ampleur de l’érosion pendant les deux derniers millions d’années dans les régions montagneuses.

Thèse soutenue par Filippo MIELE le 1er septembre 2020, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les composantes d’un mélange d’une phase liquide et d’une phase solide (particules, colloïdes) au travers d’un milieu poreux, un filtre. Ce phénomène est très utilisée dans le domaine de l’agroalimentaire, de la chimie, de la pharmacie et par de nombreuses espèces animales, principalement aquatiques qui trouvent leur nutriment en suspension dans le milieux aquatique.

Cette thèse de doctorat propose un nouveau cadre théorique pour la filtration par milieux poreux caractérisé par une forte l’hétérogénéité. La théorie de la filtration classique (CFT) est formulée adopte un point de vue macroscopique dans lequel la filtration est décrite en termes de deux processus principaux : le transport et la rétention qui sont les 2 formulés à l’échelle du milieu poreux, où sa structure réelle est remplacée par un système virtuel / efficace dont les propriétés d’écoulement moyennes correspondent à celles du milieu poreux. Même si la CFT fournit une description de la filtration qui, grâce à une formulation simple et macroscopique, permet de surmonter les difficultés liées à la nature complexe de la filtration, des observations via des expériences de laboratoire en colonne ont montré que les quantités diagnostiques macroscopiques qui sont généralement définies pour décrire la filtration, les courbes de restitution et les profils de dépôt, s’écartent quantitativement et qualitativement des prédictions du CFT.

Avec cette thèse de doctorat, nous avons l’intention de proposer un nouveau cadre théorique pour la filtration par milieu poreux en adoptant le point de vue de la particule individuelle (un colloïde ou un micro-organisme) qui circule à travers l’espace confiné (celui du milieu poreux).

D’une part, nous formulons le problème de filtration en termes de mécanismes fondamentaux de transport et d’attachement vécus par les particules individuelles en termes de trois processus stochastiques et markoviennes : la longueur de rétention des particules, leur vitesse sur une telle longueur et le taux d’attachement. Le modèle proposé prédit des com-portements de filtration anormaux, similaires à celui rapporté dans la littérature.

D’autre part, nous développons une nouvelle configuration expérimentale, basée sur la microfluidique et la vidéo-microscopie qui per-met d’étudier la nature multi-échelle du phénomène de filtration des colloïdes et des micro-organismes et, enfin, l’agrégation des bactéries en agrégats que nos expériences indiquent être responsables de l’apparition des streamers.

Thèse soutenue par Mialy ANDRIAMAHEFAZAFY le 13 juillet 2020, Institut de géographie et durabilité (IGD)

Cette thèse vise à élargir les connaissances sur les aspects socio-économiques et politiques liés à la pêche au thon dans l’océan Indien occidental (OIO) afin de mieux comprendre les décisions de gestion. Une approche political ecology est utilisée pour la recherche. En tant que domaine d’étude, la political ecology accorde une attention particulière aux aspects politiques dans les interactions entre l’homme et l’environnement et la dégradation de l’environnement. L’étude se concentre sur trois pays de l’OIO : Madagascar, Maurice et les Seychelles.

La thèse présente trois arguments principaux.

En premier lieu, elle démontre que les pêcheurs locaux de l’OIO, avec le support des ONG et des médias, ont développé de fortes revendications discursives qu’ils utilisent à différents niveaux pour contester l’exploitation par les acteurs industriels. En revanche, les acteurs industriels, qui fournissent des données permettant d’établir l’état des stocks au niveau de l’océan Indien, se considèrent comme injustement accusés d’être les principaux responsables de la dégradation des ressources en thon dans la région.

Deuxièmement, la thèse souligne que les mécanismes d’accès à la ressource actuels engendrent un accès déséquilibré et inégal entre les différents acteurs de la pêche. Cette situation produit des relations de pouvoir et des conflits qui sont aggravés par la matérialité du thon et de l’Océan Indien.

Troisièmement, la thèse met en évidence l’importance des contextes socio-économiques et locaux, des interactions géopolitiques et de leur rôle dans la promotion ou non de la coopération et de l’identité régionales. La thèse démontre également que pour que le régionalisme existe réellement dans l’OIO, il est essentiel de renforcer les liens entre les pays et les peuples de l’OIO malgré les difficultés que cela présente en matière de pêche au thon.

Les contributions académiques et empiriques de la thèse sont les suivantes : elle montre comment la pêche au thon illustre un cas de croissance bleue où le discours gagnant-gagnant ne peut se réaliser et où l’utilisation durable des ressources devient un défi socio-économique et politique. Elle fournit également un cas intéressant d’interactions des acteurs à plusieurs niveaux et montre la difficulté de mettre en œuvre les politiques de gestion des ressources à différentes échelles. Enfin, il est souligné la nécessité d’accorder une plus grande attention aux non-humains lorsqu’il s’agit d’analyser les activités se tenant dans nos océans.

Accès au texte intégral

• Andriamahefazafy Mialy, The politics of sustaining tuna, fisheries and livelihoods in the Western Indian Ocean – A marine political ecology perspective, Université de Lausanne, 2020.