Mechanisms and denudation rates of an elementary watershed (Strengbach, France) : contribution of the isotopic dating approaches (U-Th-Ra disequilibria, in situ 10Be) and of the hydrogeochemical modeling approaches (KIRMAT) coupled study

Lors de ce travail de thèse, la combinaison des méthodes de la géochimie analytique et isotopique avec les approches modélisatrices a permis d’apporter de nouvelles connaissances à la compréhension de la zone critique et du régolithe. Pour l’étude du régolithe, ce travail présente une méthodologie permettant de réaliser sur un même profil d’altération les analyses de la géochimie élémentaire, de la minéralogie, ainsi que des isotopes de la série de l’uranium (U-Th-Ra) et de l’isotope cosmogénique du 10Be in situ. Les résultats obtenus montrent l’importance de la bonne résolution spatiale de l’échantillonnage pour pouvoir pleinement exploiter les outils de la série U-Th-Ra et du 10Be in situ, notamment pour déterminer d’une manière indépendante les paramètres clés que sont les taux de production et de dénudation du régolithe à long terme. Les deux profils d’altération réalisés dans cette étude montrent de plus que (1) la structure du régolithe est relativement simple sur les positions sommitales et permet une interprétation continue des données géochimiques et minéralogiques et (2) les processus de pente tendent à augmenter l’hétérogénéité spatiale du régolithe et des processus d’altération. D’une façon complémentaire, le suivi et la modélisation hydrogéochimique des eaux de surface permettent d’étudier les processus d’altération actuels, et de comprendre les mécanismes impliqués dans leurs variabilités récentes. Ce travail a notamment montré le lien pouvant exister entre les modifications enregistrées en surface dans les solutions de sol et l’évolution temporelle des certaines propriétés chimiques des eaux de source (pH, concentration en calcium). Les simulations réalisées ont également permis de comprendre la faible variabilité des flux d’altération globaux exportés par les sources, en relation avec la relative stabilité des concentrations de sodium et de silice dissoute sur la période récente allant de 1990 à 2010. Cette étude a finalement montré l’importance du couplage des méthodes apportant des informations sur les processus d’altération et d’érosion à différentes échelles de temps et d’espace, en particulier pour évaluer correctement la dynamique du régolithe et pour replacer le fonctionnement actuel d’un bassin versant vis-à-vis de son évolution à long terme.In this PhD work, the combination of the geochemical analytic and isotopic approaches with the modeling approaches has allowed to bring new insights to the understanding of the critical zone and the regolith. Concerning the regolith, this work presents a methodology to perform the analyses of the elemental geochemistry, of the mineralogy, as well as of the U-Th-Ra isotopes and of the in situ 10Be cosmogenic isotope along a single weathering profile. The obtained results highlight the importance of the sampling spatial resolution for an exhaustive interpretation of the U-Th-Ra and of the in situ 10Be data, especially to independently determine the key parameters of the long term regolith production and denudation rates. The two weathering profiles realized in this study furthermore show that (1) the regolith structure is relatively simple on ridge-tops and allows a continuous interpretation of the geochemical and of the mineralogical data and (2) the slope processes tend to increase the spatial heterogeneity of the regolith and of the weathering processes. In addition, the monitoring and the modeling of the surface waters allow to investigate the current weathering processes, and to understand the mechanisms involved in their recent variability. This work shows the relationship that can exist between the modifications recorded at the surface in the soil solutions and the temporal evolution of some chemical properties of the spring waters (pH, calcium concentration). The simulations also allow to understand the weak variability of the global weathering fluxes exported by the springs, in relation with the relative stability of the sodium and of the dissolved silica concentrations over the period 1990-2010. This study also demonstrates the interest of the coupling of methods providing information on the weathering and the erosion processes at different time and space scales, in particular to correctly evaluate the regolith dynamic and to position the present-day functioning of a watershed with respect to its long term evolution