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Thèse en géographie, soutenue le 2 juillet 2025 par Aurélie Schmassmann, rattachée à l’Institut de géographie et durabilité (IGD) de la FGSE.

Alors que la plupart des villes occidentales connaissent une renaissance de la pratique du vélo, elles observent aussi un déclin de son utilisation chez les enfants et adolescent·es. En Suisse, trois tendances s’observent :

1. un déclin de la pratique du vélo au cours des dernières décennies, avec une légère stabilisation au cours des cinq dernières années ;
2. un déclin au cours de la jeunesse ;
3. de fortes disparités régionales, avec une pratique du vélo plus forte en Suisse alémanique que romande ou italienne.

En s’intéressant à la pratique du vélo chez les jeunes, cette thèse présente un double intérêt : à la fois scientifique par l’analyse des dynamiques sociales autour du choix modal et de la mobilité quotidienne, et politique en étudiant un moyen de déplacement favorable à la transition bas carbone et en s’intéressant à un groupe social clé pour l’élaboration des politiques publiques futures. 

Nous interrogeons l’évolution des pratiques cyclistes des jeunes à l’aide d’une triple approche théorique :

1. systémique à travers le système de vélomobilité, qui analyse les usages du vélo à la rencontre entre le potentiel cycliste des individus et le potentiel d’accueil des territoire ;
2. relationnelle avec la notion de socialisation afin d’interroger les interactions familiales et sociales dans les pratiques de mobilité ;
3. biographique pour appréhender l’évolution temporelle des pratiques cyclistes.

Par sa taille, ses caractéristiques et sa topographie favorables à la pratique du vélo, la ville d’Yverdon-les-Bains (CH) a été sélectionnée pour cette étude. Le terrain a été effectué dans quatre établissements scolaires, regroupant des jeunes de profils et niveaux d’éducation variés entre 12 et 18 ans. Les données se basent sur une enquête quantitative (n=1’350), des entretiens de groupes (n=150 jeunes) et des entretiens biographiques individuels menés avec une quarantaine d’élèves et une dizaine de parents. 

Les résultats montrent une diminution de la pratique du vélo au cours de la jeunesse : si la quasi-totalité des jeunes ont appris à faire du vélo, près de la moitié n’en fait plus à 18 ans. La non-possession de vélo augmente au cours de la jeunesse, passant de 13% à 12-13 ans à 25% à 19-20 ans. Parmi les jeunes faisant encore du vélo, trois types s’observent : les cyclistes occasionnel×le×s, les cyclistes récréatifs·ves, et les cyclistes utilitaires. La proportion de la catégorie des cyclistes récréatifs présente une augmentation vers l’âge de 16 ans (13.2% à 15 ans vs. 29.4% à 16 ans), tandis que la part du groupe de cyclistes utilitaires présente de fortes diminutions au fil des âges (30.2% à 15 ans vs. 17.5% à 16 ans, pour atteindre 6.4% à 19-20 ans). Afin de retracer l’évolution de l’usage du vélo dans le parcours de vie, les trajectoires cyclistes des jeunes, et leurs sous-catégories, sont définies selon le motif d’utilisation (utilitaire, récréative ou absente) : (1) utilitaires (continue, renforcée, diminutive) ; (2) non-utilitaires (transfert, récréative) ; (3) abandon. 

Quatre mécanismes permettent d’expliquer ces évolutions :

1. L’accroissement du potentiel de mobilité : utilisé comme un outil d’indépendance dans les jeunes années, le vélo est rapidement concurrencé par les transports publics et les modes de transport motorisés auxquels les jeunes ont accès en grandissant.
2. L’environnement socio-familial : les comportements cyclistes des jeunes et leur image du vélo sont influencés par leurs différentes sphères sociales et familiales. Cette socialisation se retrouve dès la phase d’apprentissage.
3. Le territoire constitue la pierre angulaire de l’évolution de la pratique du vélo chez les jeunes. Le manque d’aménagements et d’infrastructures, dans un contexte où l’automobile est très présente, restreint la pratique du vélo aux plus compétent×e×s et motivé×e×s ou aux usages récréatifs et ponctuels.
4. Le genre permet également d’expliquer ces évolutions : les filles ont davantage tendance à diminuer, voire à abandonner, le vélo au cours de la jeunesse. Elles ont une image plus négative du vélo que les garçons et font davantage référence aux aspects de sécurité et de confort. 

Sur la base de ces résultats, cette thèse propose une série de recommandations politiques pour renforcer et améliorer la pratique du vélo chez les jeunes. Il est notamment question de renforcer l’accès au vélo, de proposer des cours de conduite, d’offrir la possibilité de tester le vélo pour aller au-delà des a priori, ou encore de limiter la place la voiture aux abords des écoles et d’aménager des itinéraires sûrs et attractifs tout en tenant compte de l’aspect social de la pratique du vélo (rouler côte à côte par exemple).

Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 23 juin 2025 par Ali Uygar Karabeyoglu, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.

Cette thèse explore en détail les changements environnementaux et climatiques survenus durant le dernier million d’années avant l’extinction des dinosaures, il y a environ 66 millions d’années. Les recherches se sont concentrées sur trois sites situés en Anatolie centrale, en Turquie, qui conservent des archives géologiques très complètes de cette période charnière entre le Crétacé et le Paléogène.

Les analyses menées sur des couches de sédiments ont permis de repérer des indices précis de l’impact d’un astéroïde géant (l’impact de Chicxulub), comme une anomalie en iridium, une chute brutale du carbone, et la disparition soudaine de nombreuses espèces marines. En parallèle, d’autres signaux montrent que d’intenses éruptions volcaniques en Inde (le volcanisme du Deccan) ont aussi perturbé le climat et les océans, notamment en rendant les eaux plus acides et en ralentissant le fonctionnement de la vie marine.

En résumé, cette étude met en lumière l’enchevêtrement de deux grands facteurs — impact extraterrestre et volcanisme massif — qui ont bouleversé la planète et contribué à l’une des extinctions de masse les plus célèbres de l’histoire de la Terre. 

Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 5 mai 2025 par Xavier Dupla, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

L’altération accélérée (AA) est une technique qui suscite un intérêt croissant pour capter le dioxyde de carbone (CO₂) de l’atmosphère. L’idée est simple : répandre de la poudre de roche basaltique sur les sols agricoles. En se dissolvant au contact de l’eau présente dans le sol, cette roche piège du CO₂ sous forme de minéraux stables.

Mais cette approche pose deux grandes questions :

1. En ajoutant régulièrement du basalte sur les sols, y a-t-il un risque pour leur fertilité à long terme ?
2. Cette roche s’altère-t-elle assez vite pour capturer efficacement le CO₂ ?

Quels effets sur la fertilité des sols ?

Pour mieux comprendre l’impact du basalte, nous avons d’abord modélisé son accumulation dans le sol. Nous avons étudié comment les éléments potentiellement toxiques (comme le cuivre et le nickel) pourraient s’accumuler au fil du temps. Nos résultats montrent qu’avec les doses recommandées (40 tonnes par hectare et par an), les limites légales pour la qualité des sols pourraient être dépassées en 6 à 10 ans. 

Pour aller plus loin, nous avons aussi mené une expérience en plein champ pour voir comment l’AA influence la fertilité des sols. En substance, es propriétés physiques du sol n’ont pas été modifiées. L’activité biologique a augmenté à court terme : +71 % de vers de terre et +50 % d’activité microbienne. Les propriétés chimiques ont évolué temporairement, avec une hausse de 23 % du sodium extractible. Après un an, ces effets s’étaient atténués. Si ces résultats sont rassurants, il reste maintenant à étudier l’impact d’apports régulier de poudre de basalte. 

Une solution efficace pour capter le CO₂ ?

Nous avons d’abord analysé les facteurs qui influencent la vitesse d’altération du basalte. Ensuite, nous avons comparé nos connaissances théoriques avec des expériences de terrain pour voir dans quelles conditions le basalte pourrait capter le plus de CO₂.

Enfin, nous avons conduit une expérience sur trois ans en suivant la dissolution du basalte dans le sol grâce à des prélèvements réguliers d’eau du sol. Les résultats montrent une altération rapide et continue du basalte, mais un potentiel de séquestration du CO₂ assez faible allant de 0 à 475 kg CO₂ capté par hectare et par an. 

Conclusion

Nos résultats montrent que l’altération accélérée pourrait avoir un effet positif à court terme sur la vie du sol, mais pose des questions sur son efficacité réelle pour stocker du CO₂ à grande échelle et sur ses impacts à long terme. Des recherches supplémentaires sont maintenant nécessaires pour mieux comprendre son efficacité dans différents types de sols et climats.

Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 12 mai 2025 par Bart Steen, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

Les espèces exotiques envahissantes (EEE) sont des espèces non indigènes qui causent des dommages écologiques et/ou économiques dans certaines régions et elles sont l’une des principales causes de l’appauvrissement de la biodiversité. On peut les gérer, mais les efforts de conservation manquent souvent de main-d’œuvre et de ressources. Il est donc essentiel de les guider à l’aide de modèles informatiques.

Les modèles de distribution des espèces (SDMs) sont de plus en plus conseillés à cette fin. Ils permettent de relier les occurrences d’espèces à des données numériques sur l’environnement et de quantifier ainsi l’ensemble des conditions environnementales dans lesquelles une espèce est présente, ce que l’on appelle sa « niche environnementale ». Les données environnementales sont échantillonnées d’une façon aléatoire, généralement sur le plan géographique, à cette fin. Cette niche peut ensuite être projetée sur une carte pour indiquer les zones qui conviennent à l’espèce.

Car les espèces non indigènes peuvent devenir envahissantes sans que nous le sachions, cette thèse commence par décrire quels jeux de données environnementales prédisent le mieux la répartition des espèces non indigènes par rapport à celle des espèces indigènes. On a trouvé que les espèces non indigènes sont plus fortement associées à la nature affectée par l’homme et aux surfaces artificiels que les espèces indigènes, bien que le climat soit le facteur prédictif le plus fort pour les deux groupes d’espèces.

Ensuite, on a cherché si les SDMs sont plus performantes lorsque les conditions environnementales sont échantillonnées d’une façon environnementale, plutôt que d’une façon géographique. Nos résultats montrent que c’est en effet le cas. Les indices recueillis ont ensuite été appliqués à une EEE, Heracleum mantegazzianum Sommier & Levier.

Enfin, la probabilité qu’une EEE réussisse à envahir une nouvelle zone une fois qu’elle y est arrivée est étudiée. Le potentiel de l’indice de marge de niche (NMI), une mesure qui compare la niche dans les zones où l’espèce est indigène (c’est‐à‐dire la niche indigène) et la niche à un point d’invasion, a été exploré. Plus précisément, différentes méthodes de quantification de la niche indigène ont été comparées les unes aux autres. L’NMI est un bon indicateur du succès de l’établissement lorsque des cartes de l’aire de répartition indigène sont utilisées pour quantifier la niche indigène, mais pas lorsqu’une SDM de l’aire de répartition indigène ou des occurrences indigènes sont utilisées.

Les résultats de cette thèse fournissent de nouvelles lignes directrices pour l’utilisation des SDM et l’analyse de la probabilité de succès des invasions dans la lutte contre les EEE.

Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 14 avril 2025 par Lila Siegfried, rattachée à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

Les zones humides, y compris les forêts au bord des rivières et des lacs, sont des lieux privilégiés d’études des dynamiques naturelles. Elles aident à préserver la biodiversité, réduisent les risques d’inondations, atténuent les impacts climatiques, offrent des espaces de loisirs et ont une grande valeur culturelle et historique. Cependant, en Europe centrale, ces milieux ont été largement détruits ou dégradés au cours des derniers siècles. En Suisse, la majorité des grands lacs a été modifiée pour contrôler leur niveau d’eau, mais les effets de ces modifications sur les forêts au bord des lacs sont encore peu connus. Le lac de Neuchâtel est un excellent exemple de cette situation. Son niveau d’eau a été abaissé de trois mètres il y a environ 150 ans. Cela a permis à la végétation de coloniser les nouvelles terres émergées et aux sols de se former. En 2002, ces terres sont devenues les réserves naturelles de la Grande Cariçaie, le plus grand marais lacustre de Suisse. Pour mieux préserver ces forêts, il est nécessaire d’en comprendre davantage la dynamique. Les objectifs de cette recherche sont premièrement, de comprendre comment les groupements d’espèces de plantes évoluent deuxièmement, d’estimer la quantité et la dynamique de la matière organique en termes de production, de décomposition et d’accumulation et troisièmement, d’évaluer comment cette matière organique s’intègre dans les sols des différents types d’habitats forestiers dans ces réserves.

Pour ce faire, des relevés historiques de plantes (années 70-80) ont été comparés à des relevés récents (2020). Les conditions environnementales ont pu être évaluées à l’aide des préférences écologiques des espèces identifiées. La composition et la structure des arbres ont été comparées pour prédire l’évolution future des forêts. Ensuite, des recherches plus approfondies sur la production, la décomposition, la stabilité et l’intégration de la matière organique ont été menées dans certaines de ces forêts possédant des conditions d’humidité différentes. Certains groupes d’invertébrés, tels que les vers-de-terre et les arthropodes, ont été inventoriés.  Une description complète des sols a été conduite sur le terrain et  la microstructure du sol a été observée  au microscope. 

Quatre types de forêts ont été identifiés : Les forêts d’aulne noir, d’aulne blanc, des frênaies et des pinèdes. En 40 ans, les espèces de ces forêts ont changé. En particulier, certaines forêts composées d’aulnes blancs sont devenues des frênaies. On a également observé une perte des espèces qui aiment l’humidité et la lumière. Ces forêts sont devenues plus sèches et plus sombres, avec une régénération des arbres caractéristiques de ces forêts se faisant aussi plus difficilement, présageant des changements importants allant jusqu’à la disparition de certaines de ces forêts humides.

Concernant la matière organique, on observe des différences entre les forêts plus humides (les forêts d’aulnes) et les forêts plus sèches (les frênaies et les pinèdes). Les forêts plus humides ont une décomposition rapide de la matière organique, mais une respiration du sol faible, ainsi qu’une plus faible présence de vers de terre et d’arthropodes. A l’inverse, les forêts plus sèches, qui ont une nappe phréatique plus profonde, témoignent de décompositions plus lentes,  alors que la respiration du sol est importante en été et qu’il y a une forte présence de vers-de-terre et d’arthropode.

Cette étude démontre que la régulation du lac a appauvri la flore de ces forêts inondables et souligne la complexité des processus influençant les variations de la matière organique dans leurs sols.

Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 21 mars 2025 par Jalbert Aarnink, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

Le gros bois dans les rivières joue un rôle important dans les processus écologiques et géomorphologiques, influençant le transport des sédiments, les habitats aquatiques et la dynamique des inondations. Malgré son importance, la surveillance du bois reste complexe, aidée par les progrès des techniques de télédétection. Cette thèse explore la dynamique des gros bois dans les systèmes fluviaux grâce à des approches innovantes combinant les observations de terrain, les données satellitaires, la surveillance vidéo et l’apprentissage automatique. L’objectif de cette thèse est de combler les lacunes dans les connaissances sur le stockage et le transport du bois et d’améliorer les méthodologies de surveillance.

Une partie de l’étude examine les mécanismes de transport, notamment l’interaction du bois avec les régimes d’écoulement. Des inondations expérimentales et relevés par drone ont permis de modéliser les trajectoires et vitesses du bois, révélant que son transport varie significativement selon l’ampleur de l’inondation et la morphologie du canal. Les résultats montrent l’importance des fortes décharges dans la mobilisation du bois et le modelage des paysages fluviaux.

Un autre objectif de la thèse est d’évaluer le stockage du bois dans les systèmes fluviaux, ce qui est intéressant en termes d’équilibre entre les avantages écologiques et les risques potentiels d’inondation. Les embâcles de bois, formés par l’accumulation de gros bois, servent d’habitats aux espèces aquatiques mais peuvent exacerber les inondations en obstruant l’écoulement de l’eau. La thèse présente une nouvelle approche d’apprentissage automatique pour détecter les embâcles de bois à partir d’images aériennes, atteignant une grande précision dans la quantification du volume et de la distribution du bois. Ces résultats ont des implications pour la restauration des rivières et la gestion des risques d’inondation.

Une innovation importante de cette recherche réside dans l’intégration de l’imagerie à haute résolution et de l’intelligence artificielle (IA) pour surveiller le bois des rivières. En entraînant des réseaux neuronaux convolutifs (CNN) sur divers ensembles de données, la thèse a permis la détection automatisée du bois dans les images aériennes et vidéo. Cette approche réduit considérablement la nature laborieuse des méthodes traditionnelles tout en maintenant la précision de la détection. Les tests menés sur diverses rivières, y compris les Alpes suisses et les Andes argentines, démontrent la robustesse de ces techniques dans des conditions environnementales variées.

En conclusion, cette thèse fait progresser la compréhension de certaines parties du régime des gros bois des rivières et ouvre la voie à de nouvelles méthodologies de surveillance. Ses contributions dépassent la recherche académique, offrant des outils pratiques aux gestionnaires pour gérer le bois dans les rivières. Ces innovations peuvent améliorer la résilience écologique et hydrologique et constituer un outil précieux pour la recherche interdisciplinaire future en surveillance et gestion des rivières.

Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 17 mars 2025 par Maria Acero Ariza, rattachée à l’Institut des sciences la Terre (ISTE) de la FGSE.

Cette thèse se focalise sur les processus métamorphiques qui se produisent dans l’auréole de contact du complexe intrusif de Torres del Paine (TPIC) dans le sud de la Patagonie. Le TPIC, mis en place dans la croûte supérieure (~750 bars) entre 12,59 et 12,43 Ma, consiste en une intrusion bimodale :

1. un laccolithe granitique felsique
2. une série de sills mafiques sous-jacente.

Ces unités ont intrudé les métasédiments des formations de Cerro Toro et de Punta Barrosa, qui ont précédemment subi un métamorphisme régional de faciès anchizonal à schiste vert. Les métasédiments consistent en des séquences turbiditiques composées de pélites, de grès, de conglomérats et de couches carbonatées mineures.

La mise en place du TPIC a généré une fine auréole de contact, dont l’épaisseur varie de 400 m à la base à 150-200 m au sommet, qui est marquée par l’apparition de cordiérite et de biotite produites par la décomposition de la chlorite. En allant vers l’intrusion granitique, du feldspath alcalin se forme, ainsi qu’une seconde génération de cordiérite, alors que la muscovite disparaît. Les calculs d’équilibre de phases, basés sur les compositions en roche totale des métapélites, prédisent une décomposition de la chlorite et de la muscovite à 490ºC et 545ºC respectivement, pour une pression de 750 bars. L’apparence de ces réactions minérales par rapport au contact varie dans l’espace autour de l’auréole, influencée par l’épaisseur de l’intrusion granitique à différents endroits.

Cette thèse emploie les isogrades bien caractérisés de l’auréole de contact ainsi que les conditions thermiques connues de l’intrusion pour étudier trois processus métamorphiques clés :

1. l’incorporation du Ti dans la biotite,
2. la maturation des matériaux carbonés,
3. la cinétique de croissance de la cordiérite.

Des échantillons prélevés le long de transects perpendiculaires à l’intrusion ont été analysés afin d’évaluer l’impact des différentes histoires thermiques sur ces processus.Les estimations de température basées sur les calculs d’équilibre de phases, en particulier les réactions de formation de la cordiérite et du feldspath alcalin, ont été utilisées pour calculer la température minimale à différentes distances de l’intrusion par interpolation entre les isogrades. Une variation significative de la teneur en Ti dans la biotite a été observée au sein de mêmes échantillons, ce qui suggère que l’équilibre n’a été atteint que localement. La variation de la teneur en Ti covarie avec la teneur en Al et augmente vers l’intrusion, démontrant une corrélation directe avec l’augmentation de la température, comme observée dans des études précédentes, et la diminution de la pression, la biotite plus proche du sommet de l’intrusion s’étant formée à des pressions inférieures d’environ 200 bars à celles de la biotite située à la base de l’intrusion. La dépendance de la solubilité du Ti en fonction de la pression, généralement observée à des pressions plus élevées (>6 kbar), a été documentée à des pressions inférieures à 1 kbar dans cette étude. Le mécanisme de substitution du Ti est passé d’un échange Ti-spinel à basse pression à des échanges Ti-oxy et de lacune ponctuelle à des pressions plus élevées. Un modèle intégrant la température, la pression et la teneur totale en Al a permis de reproduire avec succès les tendances observées de la concentration en Ti dans la biotite, mettant en évidence le comportement complexe de la solubilité du Ti dans des conditions de basse pression.

Pour étudier l’influence de l’histoire thermique sur la maturation des matériaux carbonés, un modèle thermique 2D de l’intrusion a été construit. Le modèle incorpore des histoires thermiques détaillées pour différentes zones, basées sur des isogrades et des estimations d’équilibre de phase. Les résultats ont montré que les températures prédites par le modèle correspondaient à celles attendues à partir des changements minéralogiques observés. La spectroscopie Raman des matières carbonées (RSCM) a été utilisée comme géothermomètre en raison de sa corrélation avec la température et de sa nature irréversible. Des spectres Raman ont été mesurés pour des échantillons prélevés à différentes distances de l’intrusion, et le rapport des bandes $R2=D1/D1+G$ a été utilisé pour estimer les températures.

Cependant, les températures RSCM étaient systématiquement inférieures à celles prédites par l’équilibre des phases et la modélisation thermique. Cet écart s’explique par le fait que la maturation des matériaux carbonés est contrôlée cinétiquement, en particulier dans les plutons qui refroidissent rapidement où les temps de refroidissement sont $<10^5$ ans. Dans ces conditions, les températures RSCM ne reflètent pas les conditions métamorphiques maximales. Le modèle thermique a été utilisé pour relier les divergences observées aux histoires thermiques, montrant que dans les plutons avec des taux de refroidissement plus rapides, la maturation est retardée par rapport aux augmentations de température. Un modèle basé sur la réflectance de la vitrinite qui décrit les premiers stades de maturation a été appliqué aux données et reproduit avec succès les rapports de bande D1/G observés.Ce modèle souligne l’importance de la prise en compte des états de maturation préexistants dans l’application de la thermométrie RSCM, bien qu’un affinement supplémentaire soit nécessaire.

Le modèle thermique a également été appliqué pour examiner les distributions de taille des porphyroblastes de cordiérite (RCSD) dans l’auréole. La comparaison des porphyroblastes de cordiérite a révélé qu’une augmentation rapide de la température favorisait une croissance contrôlée par la diffusion, tandis que les vitesses plus lentes favorisaient une croissance contrôlée par la nucléation.

Ces résultats soulignent l’importance des conditions thermiques locales dans la dynamique de croissance des cristaux de cordiérite. Un modèle intégrant la nucléation et la croissance contrôlée par la diffusion a été développé pour mieux comprendre ces mécanismes. Les résultats préliminaires suggèrent que l’équilibre pendant le métamorphisme était limité à de petits domaines autour de cristaux individuels, avec une nucléation accélérée et des coefficients de diffusion intergranulaires élevés limitant l’équilibre à des échelles localisées.Les trois processus étudiés dans cette thèse – l’incorporation de Ti dans la biotite, la maturation des matériaux carbonés et la croissance de la cordiérite – démontrent que l’auréole de contact du TPIC est marquée par des conditions de déséquilibre. La solubilité du Ti dans la biotite présente des conditions localement à l’équilibre, alors que la maturation des matériaux carbonés est cinétiquement contrôlée et la croissance de la cordiérite est localement à l’équilibre en raison d’une nucléation et d’une diffusion rapides. Ces résultats soulignent l’importance des processus de déséquilibre dans le métamorphisme de contact et mettent en évidence la nécessité de tenir compte de l’histoire thermique locale et de la cinétique des réactions lors de l’interprétation des systèmes métamorphiques.

Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 17 février 2025 par Nazimul Islam, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

Les montagnes sont des « châteaux d’eau » qui fournissent de l’eau douce à des millions de personnes vivant en aval. Malgré leur importance, les régions de montagne sont pauvres en données et présentent un relief complexe qui rend difficile le transfert spatio-temporel des connaissances liées aux impacts du changement climatique sur les ressources en eau. En conséquence, nous savons très peu de choses sur les variabilités environnementales passées dans les bassins montagneux de haute altitude. Par conséquent, pour combler ce manque de données, ma thèse s’est concentrée sur les relations entre la croissance des arbres et le climat, ainsi que sur les reconstructions hydrologiques pour mieux comprendre comment le changement climatique affecte les ressources en eau dans les bassins fluviaux alpins et himalayens. Cette thèse a abordé les questions de recherche suivantes :

Q1. Comment le réchauffement climatique influence-t-il la relation entre température, précipitations et croissance des arbres dans les environnements alpins ? Est-il possible d’identifier un point de rupture dépendant de l’altitude dans le forçage climatique de la croissance des arbres dans le bassin de la rivière Turtmann ?

Q2. Pouvons-nous utiliser des informations intra-annuelles (bois initial et bois final), y compris les variations isotopiques des cernes des arbres, pour comprendre les changements saisonniers dans la croissance des arbres et la relation avec l’utilisation de l’eau dans les environnements alpins ?

Q3. L’analyse anatomique des cernes des arbres peut-elle être utilisée pour reconstruire l’histoire passée du débit d’une rivière peu instrumentée ou non jaugée de l’Himalaya oriental ?

Q4. Est-il possible de détecter l’évolution des sources d’eau pour la croissance des arbres en utilisant des compositions isotopiques stables des cernes annuels des arbres dans des bassins fluviaux de montagne peu instrumentés ?

Cette thèse a étudié à quelle altitude le signal climatique bascule d’une croissance limitée par la température à une croissance limitée par les précipitations pour le mélèze européen (Larix decidua) dans le bassin fluvial de Turtmann. Une zone de transition (c’est-à-dire un point de rupture d’altitude) a été identifiée entre 900 m et 1 800 m au-dessus du niveau moyen de la mer (m.s.l.) où ce signal climatique change, et ce point de rupture d’altitude semble augmenter avec le temps en raison des températures moyennes annuelles de plus en plus chaudes pour ce bassin alpin. Cette thèse a également développé 75 années (1946-2020) d’enregistrements isotopiques stables de l’oxygène (δ¹⁸O) et de l’hydrogène (δ²H) à partir des cernes des arbres du bassin de Turtmann. Les compositions isotopiques de δ¹⁸O et δ²H des arbres proches de la rivière alimentés par l’eau de fonte des glaces sont inférieures à celles reflétant les signaux de fonte des glaces, tandis que les arbres éloignés de la rivière reflètent les précipitations estivales et les signaux de fonte des neiges, mais ne sont pas influencés par l’eau de fonte des glaces s’écoulant du bassin d’amont et/ou libérée par le barrage. Cette étude a fourni une nouvelle compréhension scientifique selon laquelle les arbres situés à proximité de la rivière peuvent bénéficier de l’accès à l’eau de fonte des glaciers pour leur croissance, par rapport aux arbres qui n’ont pas accès à l’eau de fonte des glaciers dans un contexte de changement climatique.

Dans les bassins fluviaux de l’Himalaya, à la suite d’une revue systématique de la littérature sur l’état de l’art et les orientations futures des études hydrologiques des cernes d’arbres, un enregistrement de 182 ans (1840-2021) de débit avant la mousson de la rivière Zemu a été reconstitué dans la partie supérieure du bassin de la Teesta. Cette reconstruction a été réalisée sur la base d’une forte relation négative entre une chronologie centenaire des cernes d’espèces de sapin du Bhoutan (Abies densa) et les enregistrements de débit observés. Cette relation inverse et contre-intuitive est probablement due à la contribution supplémentaire de l’approvisionnement en eau de fonte des glaciers induit par l’augmentation de la température. Les enregistrements de reconstruction du débit de cette rivière peu instrumentée ont identifié 30 années de débit élevé (y compris la crue documentée du Sikkim de 1968 et la crue de l’Assam de 1998) et 33 années de débit faible. Cette étude a également mis en évidence une association positive entre l’enregistrement reconstitué du débit fluvial avant la mousson et le forçage climatique mondial (par exemple ENSO), qui peut réduire la pénétration de la mousson d’été indienne pendant les années ENSO, entraîner une diminution des précipitations mais maintenir une fonte des glaciers plus élevée en raison à des conditions plus chaudes et plus sèches de longue durée dans ce bassin. En outre, 72 années (1950-2021) d’enregistrements isotopiques stables résolus chaque année, développés à partir des cernes des arbres des espèces d’A. densa, ont montré une augmentation des compositions isotopiques δ¹⁸O et δ²H au cours de la période d’analyse. Les résultats suggèrent que dans la rivière Zemu (c’est-à-dire le bassin versant amont du bassin supérieur de Teesta), la fonte des neiges et les précipitations de mousson sont les principales contributions au débit du cours d’eau.

Globalement, les résultats de cette thèse montrent que le changement climatique a des conséquences significatives sur la croissance des arbres et sur la variabilité des débits des cours d’eau dans les bassins fluviaux de haute altitude alimentés par les glaciers. Ces résultats ont des implications importantes pour la gestion durable des ressources en eau douce dans les bassins fluviaux alpins et himalayens.

Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 29 janvier 2024 par Marko Repac, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.

La lithosphère, couche externe rigide et froide de notre planète, est composée de la croûte et de la partie supérieure du manteau terrestre. Elle est fragmentée en plaques qui se déplacent en fonction des contraintes tectoniques, modulant la surface terrestre. La plupart des magmas observés en surface ne proviennent pas de la lithosphère mais de la partie supérieure du manteau convectif sous-jacent, appelée asthénosphère. Bien que principalement solide, l’asthénosphère peut rencontrer des conditions spécifiques permettant la fusion des péridotites qui la composent. Ces conditions sont en grande partie contrôlées par l’épaisseur et le mouvement des plaques lithosphériques, ce qui explique pourquoi la plupart des phénomènes volcaniques se situent aux limites des plaques. Dans les zones de divergences, où les plaques s’écartent, l’asthénosphère est entrainée vers la surface permettant la formation de magmas par fusion décompressive, générant les plaques lithosphériques océaniques. Aux limites convergentes, où une plaque subducte sous une autre, le magmatisme devient plus complexe. La plaque en subduction introduit de l’eau dans le manteau, abaissant la température de fusion et générant des magmas qui forment des arcs volcaniques. Bien que la majorité de l’activité volcanique se produise aux limites des plaques, certains volcans se trouvent à l’intérieur de celle-ci, loin de ces limites. Cela est illustré par des îles volcaniques comme Hawaï ou l’archipel des Canaries, généralement attribuées à des panaches mantelliques, zone particulièrement chaude s’élevant du manteau inférieur. Si les mécanismes de fusion dans l’asthénosphère et de différenciation des magmas dans la croûte sont relativement bien compris, les processus régissant la migration des magmas à travers le manteau restent mal contraints. Combler cette lacune est l’objectif principal de cette étude. Celle-ci se concentre sur la migration des magmas, notamment dans les contextes intraplaques, où les magmas doivent traverser une lithosphère froide et épaisse malgré une géotherme marqué et une faible porosité. Comprendre la formation et la migration des magmas est essentiel pour expliquer le volcanisme intraplaque et l’évolution chimique et physique de la lithosphère.

Nous avons entrepris d’abord une étude sur le rôle de la migration des magmas pour expliquer la limite lithosphère-asthénosphère (LAB), zone séparant la lithosphère froide, rigide, de l’asthénosphère chaude, et ductile. La LAB est marquée géophysiquement par une diminution de la vitesse sismique, souvent attribuée à la présence de petites quantités de magma au sommet de l’asthénosphère. Une question clé associé à cette transition est pourquoi la profondeur de la LAB définie par les études sismiques ne correspond pas à celle définie par les modèles thermiques. Nous proposons que la migration des magmas soit un facteur essentiel pour expliquer cette dichotomie. Nous montrons comment les magmas se forment et s’accumulent à la base de la lithosphère et comment leur composition chimique évolue lors de leur migration dans la lithosphère. Nous explorons également l’évolution thermique des magmas lors de leur ascension dans la lithosphère conductrice. Nos résultats suggèrent que, à mesure que les magmas migrent, ils se refroidissent, formant des assemblages minéraux distincts, notamment des minéraux hydratés comme les amphiboles. Nous proposons que la LAB ne correspond pas à une limite nette, mais corresponde à une zone de transition caractérisées par différents degrés de fusion et par la présence de minéraux hydratés, offrent une nouvelle perspective sur la LAB.

Nous avons ensuite étudié le processus de formation des lamproites de Leucite Hills, roches volcaniques intraplaques rares, émises dans le Wyoming. Ces roches riches en potassium, contenant des xénolites, fournissent des informations sur les processus métasomatiques à grande profondeur au sein de la lithosphère cratonique. En effet, des études antérieures ont démontré qu’une source asthénosphérique est improbable pour ces laves. En combinant observations pétrographiques, pétrologie, géochimie et modélisation numérique, nous proposons un modèle en plusieurs étapes pour la formation de ces roches volcaniques basé sur les contraintes de migration des magmas. Nous suggérons que des « pulses » répétées de magma enrichissent la lithosphère, et que, dans un processus continu, ces domaines enrichis refondent à différentes profondeurs, créant une variation de la composition magmatique en surface.

Enfin, nous testons si l’eau elle-même peut transporter des éléments chimiques à travers la lithosphère. Grâce à la modélisation numérique de l’infiltration des fluides, combinée à des calculs thermodynamiques, nous montrons que des réactions métasomatiques importantes, telles que la formation d’amphiboles ou de phlogopites, peuvent également être obtenues par infiltration de fluides riches en eau. Cette approche constitue une base pour développer des modèles thermo-hydro-mécano-chimiques (THMC) bidimensionnels entièrement couplés, offrant de nouvelles perspectives sur les processus de migration des magmas et des fluides dans la lithosphère.

L’ensemble de ces résultats approfondissent notre compréhension du transport des magmas, du volcanisme intraplaque, du métasomatisme du manteau et de la LAB.

Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 29 janvier 2025 par Nathan Chin, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

Les sols du monde entier contiennent une quantité importante de carbone et de nutriments, provenant des végétaux morts et de la litière végétale. La décomposition de ce matériel végétal libère non seulement des nutriments, nécessaires aux plantes et aux microbes vivant dans le sol, mais aussi du carbone sous forme de CO₂, transférant ainsi le carbone du sol vers l’atmosphère. Par conséquent, les facteurs qui impactent la décomposition de la litière végétale entraînent des répercussions considérables sur le cycle des nutriments du sol et les émissions de CO₂, qui à leur tour affectent la santé de l’écosystème et la réaction de celui-ci aux dérèglements climatiques.

Un facteur important qui affecte la décomposition est la dégradation des composés organiques complexes dans la litière végétale, qui nécessite des réactions de transfert d’électrons appelées oxydation. Ces réactions rompent les liaisons chimiques et facilitent ainsi la décomposition de la litière par des enzymes microbiennes. Dans les sols, cela peut être réalisé par un petit groupe spécifique d’enzymes microbiennes, et plus récemment, il a été démontré que la présence de certains éléments hautement réactifs facilitent ces réactions d’oxydation. Plus précisément, il a été démontré que la présence d’un de ces métaux, le manganèse (Mn), est en corrélation avec la diminution des stocks de carbone du sol et l’augmentation des taux de décomposition. Cependant, le Mn est le plus réactif lorsqu’il est dans l’état d’oxydation Mn(III), un état facilité par des transformations microbiennes. Le Mn est également sensible aux concentrations d’oxygène dans les sols, influencées par l’humidité du sol et les précipitations, ce qui affecte sa capacité à être transformé en Mn(III), avec des preuves récentes suggérant que le Mn(III) peut se former préférentiellement aux interfaces sol-eau. Malgré les relations démontrées entre le Mn(III) et la décomposition de la litière, de nombreuses études sur la décomposition ne tiennent pas compte des fluctuations spatiales et temporelles des concentrations d’oxygène qui existent naturellement dans les sols. Ignorer l’importance des gradients de concentrations d’oxygène dans les études de décomposition ne permet pas de comprendre comment les microbes, les gradients d’oxygène et la disponibilité du Mn forment le Mn(III) et affectent la décomposition. 

L’objectif de cette thèse est de déterminer les moteurs microbiens et géochimiques de la formation de Mn(III) à travers les gradients d’oxygène dans les sols, et finalement comment cela contrôle la décomposition de la litière. Pour ce faire, nous avons utilisé une combinaison d’incubations de sol en laboratoire ayant différents gradients d’oxygène et des analyses de terrain à travers un transect de sol sous forêt ayant des variations naturelles de conditions d’oxygène. Nous avons constaté que l’ajout de Mn augmente la production d’enzymes microbiennes qui transforment directement et indirectement le Mn(II) en Mn(III), en particulier dans les zones de transition de conditions d’oxygène. À son tour, cette formation accrue en Mn(III), très réactif, a favorisé la décomposition et créé plus de CO₂. L’expérience de terrain nous a permis de vérifier que, même sur des transects de sol à grande échelle, l’augmentation de la formation de Mn(III) entraîne également une plus grande décomposition de la litière, due en partie à une augmentation de la communauté fongique. Bien que cette recherche mette spécifiquement en évidence le rôle du cycle du Mn dans les sols, elle démontre également que, de futurs travaux axés sur la décomposition doivent tenir compte de l’hétérogénéité des conditions d’oxygène et son impact sur les éléments sensibles à l’oxygène dans le contrôle de la décomposition de la litière végétale.

Cela est particulièrement important compte tenu de l’impact du dérèglement climatique, qui modifiera les régimes de précipitations dans les écosystèmes, avec de possibles implications sur la décomposition de la litière des sols à l’échelle mondiale. 

Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 16 janvier 2025 par Wenqiao Jiao, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.

Les propriétés structurelles d’un système poreux (comme le sol, les aquifères, mais aussi les systèmes de filtration ou les tissus biologiques) contrôlent la manière dont ils peuvent accueillir le transfert de fluides (flux). En particulier, la perméabilité intrinsèque du milieu quantifie la relation entre la vitesse moyenne du fluide, se déplaçant à travers un système poreux, et la différence de pression nécessaire pour la produire. Pour les systèmes spatialement homogènes, il existe des modèles permettant de prédire la perméabilité du milieu à partir de ses caractéristiques macroscopiques (c’est-à-dire la porosité et la taille moyenne des grains). Ce travail étudie le problème de la détermination de la perméabilité d’un système poreux caractérisé par une structure complexe. Le défi commun des milieux poreux hétérogènes est leur nature multi-échelle, associée à la large gamme de tailles et de formes que leurs pores peuvent avoir. Par exemple, la taille des pores d’un échantillon individuel peut s’étendre de quelques microns à quelques millimètres. La thèse est organisée en une introduction, 3 chapitres de recherche et une conclusion.

Dans le premier chapitre de recherche, je présente un modèle pour caractériser la perméabilité intrinsèque des milieux poreux à tailles de pores variables. Pour valider ce modèle, j’ai conçu et réalisé des expériences microfluidiques avec plusieurs structures poreuses de distribution aléatoire (mais contrôlée) de la taille des pores. Alors que les modèles traditionnels ne peuvent pas prédire la perméabilité des structures poreuses hétérogènes, mon modèle le peut. Il intègre explicitement la variabilité spatiale des tailles de pores grâce à la conceptualisation du système comme une série de milieux poreux à plus petite échelle.

Le deuxième chapitre de recherche est consacré à l’exploration de la croissance du biofilm dans les milieux poreux. Dans la première partie de ce chapitre, je présente une étude sur la façon dont un biofilm grandit et affecte l’écoulement dans les environnements poreux qui sont caractérisés par une taille de pores variable. Grâce à l’expérimentation microfluidique et à la microscopie optique, je montre que le développement du biofilm (par division de cellules bactériennes individuelles), influencé par la vitesse d’écoulement et la disponibilité des nutriments, modifie considérablement la structure poreuse en réduisant les pores individuels, conduisant finalement à leur colmatage qui modifie la perméabilité. L’interaction entre l’accumulation du biofilm et les conditions d’écoulement entraîne des variations dynamiques de perméabilité, qui sont capturées par un modèle prédictif que j’ai développé, et qui reflète le colmatage induit par le biofilm au fil du temps.

La deuxième partie de ce chapitre étudie les mécanismes biochimiques qui régissent le comportement bactérien dans les milieux poreux caractérisés par des grains de formes différentes (au lieu de tailles différentes). J’ai exploré comment les interactions médiées par l’écoulement permettent à la bactérie Escherichia coli sp. de coloniser une structure poreuse composée de pores hétérogènes en cul-de-sac (DEP, ou cavités d’un grain) et de canaux de percolation, c’est-à-dire de pores de transmission (TP, espace entre les grains), imitant la surface structurée de l’intestin des mammifères ou de certaines structures du sol. En présence d’écoulement, les gradients de la molécule du quorum sensing (QS), l’autoinducteur-2 (AI-2), sécrétée par les cellules euxmêmes, favorisent l’accumulation chimiotactique d’E. coli dans les DEP. Cela se traduit par des hot-spots d’accumulation où le Quorum Sensing se produit, déclenchant une croissance rapide et une évasion mécanique de la biomasse des DEP appauvris en nutriments et en oxygène.

Le dernier chapitre de recherche étudie l’impact du processus de dissolution à l’échelle microscopique des roches sur leur hétérogénéité structurelle et, par conséquent, sur la perméabilité macroscopique. L’étude est réalisée via i) des simulations numériques bidimensionnelles et ii) des expériences microfluidiques conçues pour visualiser directement la dissolution individuelle des grains, tout en surveillant la perméabilité globale du système macroscopique. J’observe comment la structure d’un système poreux change en raison de la dissolution et je montre que le modèle proposé dans le deuxième chapitre capture l’effet de ces changements dynamiques sur la perméabilité du système.

En conclusion, j’ai développé des modèles théoriques et des outils expérimentaux pour étudier comment la structure spatialement variable (hétérogène) d’un système poreux contrôle le transfert de fluide (perméabilité) et comment, à leur tour, les processus induits par l’écoulement (comme la croissance du biofilm ou la dissolution des roches) modifient la structure poreuse et, par conséquent, sa perméabilité.