Dans l'objectif d'évaluer l'influence de la forêt sur l'hydrologie des bassins versant, une méthode de modélisation du bilan hydrique en milieu forestier a été développée et validée sur l'hydrosystème de Volvic. Cette méthode, facilement transposable, a permis de simuler l'impact hydrologique de scénarios de gestion forestière.La compréhension du fonctionnement de l'hydrosystème volcanique complexe de Volvic a été améliorée, depuis les processus de recharge jusqu'au fonctionnement des exutoires. La structure géologique complexe du site a été modélisée en utilisant l'ensemble des données disponibles et en mettant en œuvre une approche géologique génétique. Le fonctionnement hydrogéologique détaillé a ensuite pu être étudié dans plusieurs secteurs clés. L'hydrosystème de Volvic a été modélisé en utilisant le code MODCOU. Afin de prendre en compte les processus physiques spécifiques du site, des modules ont été développés et couplés à l'outil existant. Le modèle permet ainsi de simuler le débit à l'exutoire de l'aquifère. La modélisation et l'interprétation de données ont également permis de proposer un nouveau modèle conceptuel de fonctionnement hydrogéologique. La simulation du transport de traceurs tels que le chlorure et le 18O valide la fonction de transfert et les hypothèses retenues quant aux processus de recharge. Le modèle a ensuite été utilisé pour simuler des scénarios d'évolution climatique contrastés.Le modèle de fonctionnement l'hydrosystème de Volvic constitue ainsi un outil de gestion opérationnelle mais surtout un outil pilote permettant d'apporter des réponses à des questions scientifiques d'actualité relatives au rôle hydrologique de la forêt ou à l'impact du changement climatique à l'échelle de petits bassins versants de moyenne montagne. / In order to take account of hydrological forest role at the catchment scale, a method for evapotranspiration computation in forest context has been developed and validated on the Volvic site. This method, easily transposable, allows simulating forest management scenarios impact on hydrosystems recharge.Functioning understanding of the Volvic volcanic hydrosystem has been improved, from recharge processes to outlet functioning. The complex geological structure of the Volvic site has been modeled based on data interpretations and using a geological genetic approach. Detailed hydrogeological functioning was studied in several key sectors. The hydrogeological functioning of the Volvic hydrosystem has been modeled using the MODCOU code. In order to take account of the physical processes observed in Volvic, several modeling units has been developed and coupled to the existing tool. This model allows simulating the Volvic outlet discharge since 1985. This modeling allows suggesting a new conceptualization of hydrogeological functioning. The conservative transport modeling (chloride, 18O) validates the transfer function modeling and the evaluated altitudinal variation of climatic parameters. Then contrasted climate change scenarios were simulated.The Volvic hydrosystem functioning model constitutes an operational tool but also a pilot contributing to scientific progress in forest hydrology or in order to evaluate climate change impact on small mountainous watershed.

Les dômes de lave sont associés à des éruptions volcaniques violentes et des indices d’explosivité élevés. L’observation et la surveillance de dômes actifs (e.g. St. Helens, Unzen, Montserrat) ont mis en évidence des modes de croissance caractérisés par des phases d’extrusion, d’explosion et des phénomènes d’effondrement, impliquant une structure interne souvent complexe de ces édifices volcaniques. L’étude du Puy de Dôme (Massif Central français), un dôme trachytique âgé de 11 000 ans, grâce à l’apport de l’imagerie géophysique et à la modélisation des données, ainsi qu’à une analyse morpho-structurale détaillée, a permis d’établir un modèle précis de la structure interne du dôme et a fourni de nouvelles contraintes concernant sa croissance et son évolution. L’analyse du Modèle Numérique de Terrain haute résolution (0,5 m) a permis d’identifier différentes unités sur le dôme, morphologiquement distinctes, et associées à des dynamismes éruptifs différents, ainsi que des structures volcano-tectoniques remarquables sur les édifices volcaniques voisins (Petit Puy de Dôme et Puy des Grosmanaux). Différentes méthodes géophysiques (tomographie des résistivités électriques – ERT -, gravimétrie et magnétisme) ont été mises en oeuvre afin d’étudier la structure interne du dôme, et de caractériser la nature des mécanismes à l’origine des zones de déformations identifiées dans l’environnement du Puy de Dôme. L’utilisation de plusieurs méthodes a permis d’étudier des paramètres physiques différents mais complémentaires, bien que l’interprétation globale des résultats géophysiques ait parfois été délicate dans le cas d’un édifice volcanique aussi complexe. Les modèles géophysiques 2D et 3D obtenus montrent que le Puy de Dôme repose sur des édifices volcaniques préexistants, un ensemble de volcans stromboliens dont la présence et/ou l’extension exacte étaient partiellement méconnues jusqu’alors. La structure interne de l’édifice, très hétérogène, est constituée d’une partie centrale très massive, entourée d’une ceinture de brèches d’effondrement, la zone sommitale du conduit étant affectée de nombreuses évidences d’une forte altération hydrothermale, caractéristique des dômes volcaniques. La partie supérieure du dôme est définie par une carapace de roches consolidées, de quelques dizaines de mètres d’épaisseur au maximum, alors que la base de l’édifice forme un talus constitué des dépôts d’effondrements gravitaires et d’écoulements pyroclastiques associés à la croissance du dôme. Enfin, les données gravimétriques et magnétiques ont permis la mise en évidence de la présence d’intrusions sous les édifices du Petit Puy de Dôme et du Puy des Grosmanaux. La géométrie de ces intrusions, déterminées grâce à différentes approches de modélisation, ainsi que la nature des roches qui les composent indiquent des processus de mise en place complexes. / Volcanic domes are associated to violent volcanic eruptions and high explosivity indexes. Observation and monitoring of active domes (e.g. St. Helens, Unzen, Montserrat) underlined growth patterns characterized by extrusion phases, explosions and collapse events, involving the complex inner structure of these volcanic edifices. The study of the Puy de Dôme volcano (French Massif Central), a 11,000 years old trachytic lava dome, through geophysical imaging and data modelling, as well as a detailed morpho-structural analysis, allowed to build a precise model of the inner structure of the dome and provided new constraints about its growth and its evolution. The analysis of the high resolution Digital Terrain Model (0.5 m) allowed to identify distinct morphological units on the dome, as well as volcano-tectonic structures on the neighboring volcanic edifices (Petit Puy de Dôme and Puy des Grosmanaux). Different geophysical methods (Electrical Resistivity Tomography – ERT -, gravity and magnetism) have been implemented in order to study the inner structure of the dome and to characterize the initiating mechanisms of the deformations areas identified in the Puy de Dôme vicinity. The use of several methods allowed to study different, but complementary physical parameters, although the overall interpretation of the geophysical results is sometimes difficult in the case of a volcanic edifice so complex. The 2D and 3D geophysical models obtained indicate that the Puy de Dôme is based on preexisting volcanic edifices, a cluster of strombolian volcanoes whose the presence and/or the exact extension were partially unknown until now. The internal structure of the edifice, highly heterogeneous, is composed of a massive central part, encompassed of collapse breccia, and its summit part highlights evidences of a strong hydrothermal alteration, characteristic feature of volcanic domes. The upper part of the dome is defined by a carapace of consolidated rocks, a few meters thick, whereas the base of the edifice forms a talus composed of collapses and pyroclastic flows deposits associated to the dome growth. Finally, gravity and magnetic data pointed out the presence of intrusions beneath the Petit Puy de Dôme and the Puy des Grosmanaux edifices. The geometry of these intrusions, determined through different modelling approaches, and the nature of the rocks that composed them, indicate complex emplacement processes.

Les interactions systémiques entre l’Homme et son milieu sont étudiées dans cette thèse au travers de la dynamique de la végétation des domaines pastoraux de la Chaîne des Puys (Massif central, France). A partir d’analyses de terrain (phytosociologiques, agronomiques) et d’enquêtes agropastorales nous établissons un état des lieux des estives des Dômes. Une démarche diachronique vise ensuite la recherche des causes de l'extension ligneuse et ses conséquences sur la couverture végétale. Notre démarche d'analyse est fondée sur un triptyque végétation - milieu - pratiques établit sur plusieurséchelles spatio-temporelles. Les résultats montrent que la déprise agricole, symptomatique des zones de moyenne montagne, et la fermeture ligneusedes espaces qui lui est associée ne caractérisent pas les trajectoires observées de la dynamique végétale. Ainsi, les nombreuses perturbations affectant le système (crises, pratiques) remet en cause la linéarité des successions observées dans la bibliographie, tant sur les vitesses de progression que sur les trajectoires et les caractéristiques. Il apparaît alors que le concept de mosaïque phyto-morphologique anthropique, proposé ici soit plus adapté à la réalité du terrain et à l'intensité de l'usage de l'espace. Les composants de cette mosaïque et leurs évolutions suivent des trajectoires stochastiques voire chaotiques dont la caractérisation première tend vers une disparition des landes au profit de la strate herbacée et non à une fermeture généralisée des milieux. / Systemic interactions between Human and environment are studied in this thesis through the vegetation dynamics of the Chaîne des Puys pastoral area (French Massif central). From field analyses (phytosociological, agronomic) and agropastoral linguiries we establish a diagnosis oh the local pastures. The causes of the ligneous extension and its consequences on the vegetation cover explored through a diachronic survey and mapping of landscape. Our analytical approach is established on a triptyc vegetation - environment - practices based on three spatial and temporal scales. Results shows that agricultural abandonment symptomatic of mountain area correlated to space closure by woody strata do not characterize the observed trajectories of vegetation dynamics. Thus, many disturbances affecting the system (crises, practises) questions the linearity of successions observed in the literature, and affect the vegetation progression velocity and its species characteristics. It appears that the concept of landscape mosaic controlled by dynamically interacting ecological and anthropogenic drvers, is more suited to the field relaity and to intensity of the space use. The mosaic components and their evolutions follow even stochastic or chaotic trajectories which first characterization goes to a healthlang disappearance in favor oh herbaceous stratum and not in a generalized landscape closure.

L’érosion des sentiers de moyenne montagne auvergnate est étudiée dans cette thèse à travers l’évolution morphologique de quatre secteurs présentant des stades d’érosion et des rythmes d’évolution différents, répartis dans le Massif du Sancy et la Chaîne des Puys. Notre approche méthodologique repose sur le croisement de trois jeux de données inédits collectés sur le terrain : relevés topographiques, données climatiques et cartographie du comportement des randonneurs. Les relevés topographiques fins mobilisent trois méthodes complémentaires de collecte de données (lasergrammétrie, GPS différentiel et relevés manuel). L’analyse croisée de l’ensemble de ces données nous a permis de : (1) quantifier des volumes d’érosion et de dépôt ; (2) cartographier les secteurs les plus sensibles à l’érosion ; (3) identifier une saisonnalité des processus érosifs ; (4) proposer un outil d’aide à la gestion des sentiers.Nos résultats de quantification de l’érosion des sentiers indiquent une différenciation des secteurs étudiés. Ce gradient d’érosion constaté s’explique par : le contexte climatique local qui commande la saisonnalité des processus d’érosion, la fréquentation touristique inégale et l’érodabilité du substrat. En réponse à cette érosion, nous avons observé la mise en place de divers aménagements (fils guide, fascines, murets, rigoles d’évacuation…), globalement efficaces. Néanmoins, il apparaît qu’un affinement du positionnement de ces derniers, sur la base d’une compréhension des processus érosifs sur un temps plus long, optimiserait le rôle protecteur de ces ouvrages. / In this thesis, weathering of hiking trails has been studied in the low mountain ranges of the Massif Central (Auvergne, France) through the morphological comparison of four sectors in the Massif du Sancy and the Chaîne des Puys, each one presenting different erosion stages and rhythms of evolution. Our methodological approach is based on the crossing of three unpublished field datasets: topographic data, climate data and cartography of hiker behavior. High resolution topographic data mobilized three complementary data collection methods (terrestrial laser scanning, GPS monitoring and manual monitoring). Cross-analysis of all these data allowed us to: (1) quantify erosion and depositional volumes; (2) map the weathering sensitivity of studied areas; (3) identify the seasonality of weathering processes; (4) propose an operational evaluation tool for the management of hiking trails in low mountain ranges. Weathering quantification results show a clear differentiation of the studied areas. This contrasting erosion gradient has been proved to be linked to: local bioclimatic parameters which command the seasonality of weathering processes, irregular touristic attendance and substratum durability. In response to this erosion, varied management were introduced (guideline, wattle fence, low wall, water bars ...) and globally effective. Nevertheless, it appears that a refinement of the positioning adjustments, based on an understanding of weathering processes over a longer period would optimize the protective role of these structures.

Ce travail est constitué de deux volets indépendants qui s'intéressent respectivement à la géochimie isotopique du lithium et à la variabilité géochimique des MORB du Pacifique sud. L'utilisation des isotopes du lithium en Sciences de la Terre est abordée dans un premier temps au travers de l'étude des laves de la Chaîne des Puys. Les échantillons de cette série volcanique intraplaque permettent d'apporter des contraintes sur les valeurs de la composition isotopique du Li dans la croûte continentale inférieure et dans le manteau d'affinité HIMU sous le Massif Central. La deuxième étude s'intéresse au comportement du Li lors du refroidissement d'une lave. Pour cela, des analyses in situ de la composition isotopique du Li ont été réalisé au travers de phénocristaux d'olivine d'un échantillon de picrite. Ces mesures ont permis de mettre en évidence un processus de fractionnement isotopique dû à la diffusion du Li dans les cristaux. Le deuxième volet de ce travail présente les résultats de la campagne océanographique PACANTARCTIC2. L'analyse des rapports d'éléments en traces et de la composition isotopique des isotopes radiogéniques (Sr, Nd, Pb et Hf) dans les basaltes collectés entre 53°S et 39°S le long de la dorsale Pacifique-Antarctique, permet d'étudier la variabilité des basaltes de dorsale loin de tout point-chaud. Cette étude mets en évidence différentes échelles d'hétérogénéités géochimiques dans la source de ces MORB. Ces variations le long de l'axe correspondent aux différents types de segmentation de la dorsale.

Les caractéristiques hydrogéologiques de la Chaîne des Puys sont liées à ses particularités climatiques, géologiques, morphologiques et environnementales qui vont contraindre l'eau souterraine en terme d'origine, quantité, qualité et parcours dans les aquifères volcaniques. La composition chimique et isotopique de l'eau reflétant l'ensemble des processus intervenant lors du cycle de l'eau, ses variations au sein et entre les différents compartiments permettent donc de préciser le rôle de ces différents facteurs. C'est l'objet de cette thèse qui porte sur la caractérisation chimique (ions majeurs) et isotopique (δ18O, δ2H, δ13C) des différentes étapes du cycle de l'eau afin de définir le fonctionnement des aquifères sous-volcaniques de la Chaîne des Puys. Dans cette perspective, notre travail s'est articulé autour de deux thèmes : 1) la définition du signal d'entrée des aquifères régionaux, préalable indispensable à toute étude hydrogéologique, 2) l'étude du fonctionnement du bassin versant d'Argnat localisé au Nord de la Chaîne des Puys. L'étude des mécanismes d'acquisition de la chimie de la pluie (Na+, K+, Mg2+, NH4+, Ca2+, Cl-, NO3-, SO42- , PO43-, HCO3-) en fonction de son trajet longue distance (rainout), et de l'influence des paramètres météorologiques, environnementaux locaux sur le lessivage pendant la pluie (washout), montre que la majorité des pluies proviennent de l'Atlantique et du Bassin Méditerranéen et est essentiellement influencée par les éléments terrigènes (Ca2+, HCO3-) et anthropiques (NO3-,NH4+,SO42-), souvent associés (processus de neutralisation). L'influence locale sur la chimie est surtout liée aux éléments terrigènes provenant du bassin sédimentaire de la Limagne, mais l'humidité du sol, la direction et la vitesse du vent peuvent favoriser une recharge du nuage en éléments anthropiques originaires de l'agglomération de Clermont-Ferrand. L'évolution des paramètres chimiques (ions majeurs) et isotopiques (δ18O, δ2H, δ13C) entre les différents compartiments du bassin d'Argnat met en évidence le rôle de la zone non saturée dans l'alimentation de la zone saturée des aquifères volcaniques. Il apparaît ainsi que le schéma d'une alimentation verticale n'est pas simple et que le comportement de la zone non saturée se rapproche de celui d'un aquifère perché. Dans ce cas, l'existence d'un aquifère perché ne peut s'expliquer que par des circulations superposées à l'intérieur même de la coulée basaltique qui s'avère ainsi hétérogène du point de vue des caractéristiques physiques et donc de l'hydrodynamique. L'étude du transfert en zone saturée depuis l'amont vers l'aval, à partir de 10 points de prélèvements permet d'estimer, compte tenu du contexte géologique et de la topographie, la contribution relative des alimentations de haute et basse altitude. Ces venues de basse altitude modifient significativement la chimie de l'eau, notamment via des apports en éléments anthropiques tels que les chlorures et les nitrates. L'interprétation des mesures de δ13C associées aux calculs de pCO2 confirme la présence de CO2 d'origine profonde et précise sa répartition géographique dans le bassin d'Argnat.

L'étude de l'aimantation de 40 unités volcaniques datées, issues de la Chaine des Puys (France), a permis une description de la variation séculaire du champ magnétique terrestre sur la période récente. L'intervalle couvert par les datations s'étend depuis 7.000 BP jusqu'à 70.000 BP . La direction paléoma~nétique du champ a été étudiée sur l'ensemble des unité s . La recherche de la paléointensité s'est effectuée, en utilisant la méthode des doubles chauffes de Thellier, sur 15 unités volcaniques parmi les plus récentes (de 7.000 à 40 . 000 BP) . Les échantillons ont été sélectionnés afin que les porteurs ma~nétiques soient, autant que possible, des mono- ou pseudo-monodomaines. Le choix s'est tout d'abord porté sur les échantillons à température de Curie élevée, MDF fort et avec un comportement the rmoma~nétique à saturation réversible. Certains sites se caractérisent par des échantillons tr~s fortement oxydés (scories) qui ont autorisé la recherche de la paléointensité en opérant à l'air libre . Cependant la plupart des sites ont été étudiés sous un vide de 10-2 torr . Bien que le choix se soit effectué parmi les échantillons les plus oxydés, ~a détermination de la paléointensité se heurte souvent aux évolutions minéralo~iques des speClmens chauffés, évolutions parfois marqu~es par la création " d'aimantation rémanente chimique . Le comportement thermoma~nétique des échantillons de la coulée de Saint Saturnin ne présenté pas les caractéristiques d'une forte oxydation, il apparait irréversible et indique la présence d'une phase magnétique riche en titane. Une valeur de paléointensité a toutefois été obtenue, en recherchant, par une étude thermomagnétique détaillée, un intervalle de température dans lequel le comportement des minéraux reste stable. Les paléointensités obtenues présentent deux caractéristiques. D'une part les coulées récentes fournissent des intensités qui souli~nent la variation s inusoidale obtenue par les résultats archéomagnétiques en Europe . Cette variation est principalement notée ici par la valeur forte (64 microteslas) fournie par la coulée de Saint Saturnin, datée à 8 . 500 BP. C'est à cette époque que se place le ~roupe de données européennes qui .s'écarte sensiblement de l'ensemble des résultats mondiaux situés autour de l'intensité actuelle. D'autre part, sur la période pré-Holoc~ne (12.000-40.000 BP), les résultats obtenus indiquent une faible intensité du champ sur tout l'intervalle étudié . Les valeurs s'échelonnent entre 20 et 40 microteslas, sans jamais atteindre l'intensité actuelle du champ, intensité qui par ailleurs constitue la moyenne mondiale sur la période Holoc~ne. La tendance sinusoidale de la variation disparait é~alement . La direction moyenne pour toutes les coulées définit un pole ~éomagnétique virtuel (PGV) situé de l'autre coté du pole ~éo~raphique par rapport au site d'échantillonna~e, cependant son intervalle de confiance à 95% contient ce pole. La faiblesse de l'intensité du champ, associée à une direction moyenne principalement dipolaire, indique une baisse notable du moment dipolaire, peut- etre accompa~née d'une baisse du moment non dipolaire . La période 35.000-45.000 BP est marquée par la présence de ce r taines directions intermédiaires liées à l'épisode inverse du Laschamp, daté à environ 40.000 BP. La présence de l'épisode du La s champ dans cette période, caractérisé par une intensité trés faible (8 microteslas), et également l'existence àe directions intermédiaires ; suggérent que les caractéristiques non dipolaires dominent le dipole à certains moments.