Le phénomène de dégazage permanent observé sur le volcan Erebus s'accompagne d'une variation cyclique de la composition des gaz et du niveau de son lac de cratère que nous nous sommes proposé de modéliser en partant de l'hypothèse que ces fluctuations sont causées par l'arrivée de batch de magma naissant à faible profondeur, ascendant dans un conduit à travers duquel percole un flux continu de gaz dont l'origine est plus profonde. Nous avons tout d'abord montré par simulation numérique que la vigueur de la convection observée en surface ne pouvait être expliquée par la seule convection thermique d'un mélange liquide-cristaux. Si une alimentation continue en magma et gaz dans un système ouvert permet de simuler un comportement pulsatif de la surface, cet apport doit être suffisamment important pour que les changements de vitesse de surface ainsi générés puissent être appréciés. Le conduit doit avoir un diamètre suffisant large pour assurer la pérennité de la convection et maintenir le magma au-dessus de sa température de transition vitreuse. La présence de cristaux accélère la convection et améliore l'efficacité du transfert de chaleur entre les régions inférieures et supérieures du système magmatique ; ces cristaux se déposent dans le fond de la chambre pour former une couche de forte concentration d'une dizaine de mètres d'épaisseur. L'introduction de deux batch de magma d'origines différentes a permis de mettre en évidence combien leur composition et le comportement du lac de lave étaient sensibles à la température à laquelle ces batch sont générés. D'autre part, un batch ne contribuera au budget de dégazage dans des proportions consistantes avec les observations que si un seuil de flottabilité suffisant a été atteint. Dans le cas contraire, la migration d'une quantité de magma nécessaire à ce dégazage ne pourrait se faire que dans un conduit de très grand diamètre. Les paramètres physiques de la croute qui se forme lors du refroidissement de la surface du lac de lave, tels que son épaisseur et sa perméabilité, influent sur sa capacité à se déformer sous la pression qu'elle piège et à permettre un dégazage de type effusif. Cette pression conditionne à son tour la porosité du magma en surface et éventuellement le degré de dégazage du magma qui redescend vers la chambre magmatique. Cette étude nous a permis de mieux appréhender les mécanismes associés à une éruption de régime effusif et constitue une étape dans la compréhension de la transition à un régime explosif, préoccupation majeure des centres de surveillance volcaniques.

De nos jours, la modélisation numérique constitue un outil indispensable pour le prototypage de convertisseurs électromagnétiques. Les matériaux magnétiques jouent un rôle essentiel dans la conversion de l'énergie, il est donc nécessaire de maîtriser leur comportement et leur représentation. L'objectif de ce travail s'inscrit dans ce cadre et s'attache à élaborer des lois réalistes de comportement de matériaux afin de les inclure dans des simulateurs de circuits. Concernant le comportement statique, le modèle de Jiles-Atherton a été implémenté puis adapté, simplifié et modifié afin d'en améliorer la précision et l'implémentation. La modélisation dynamique du matériau a été effectuée grâce au modèle DWM élaboré au laboratoire Ampère. Ce modèle intègre les effets dynamiques excédentaires grâce à une loi " dynamique de matériau " implémentée au sein de l'équation de diffusion magnétique. Ce modèle a été ensuite homogénéisé afin d'en améliorer son implémentation future dans un simulateur de circuit. Chacun des différents modèles a été testé et validé sur plusieurs échantillons.

Les régimes dynamiques dans les basses couches de l'atmosphère à l'île de la Réunion sont conditionnés par l'action du relief et du rayonnement sur l'écoulement synoptique. L'île est située en permanence dans le flux des alizés de sud-est et son relief élevé, culminant à 3000 m dans le centre de l'île et 2600 m au sud, constitue un obstacle important pour l'écoulement moyen. Le relief, le chauffage différentiel des pentes et le contraste thermique avec l'océan influent sur les échanges locaux entre la couche limite marine et la troposphère libre.L'analyse des phénomènes complexes de l'écoulement atmosphérique au niveau de l'île a pour but initial de caractériser les transferts de polluants émis localement. Cette étude a deux applications : * La première rentre dans le cadre préparatoire à la mise en place, à 2200 m d'altitude sur le Piton Maïdo, de l'observatoire atmosphérique de l'OPAR, à l'horizon 2011. L'objectif est de comprendre les circulations locales induites par le relief et les transports associés afin de discriminer d'éventuelles pollutions par les sources locales sur le signal qui sera mesuré in situ au sommet du Maïdo.* La seconde vise à étudier la diffusion des panaches volcaniques du Piton de la Fournaise. L'éruption majeure d'avril 2007 du volcan réunionnais a montré que des panaches pouvaient générer d'importantes pollutions dans diverses parties de l'île allant jusqu'à poser de réels problèmes environnementaux et de santé publique.Ces applications s'appuient sur une étude par modélisation numérique à haute résolution des écoulements atmosphériques dans les basses couches au niveau de l'île, au moyen du modèle météorologique de recherche MésoNH, permettant de conduire un ensemble de simulations sur cas idéalisés puis sur cas réels avec diffusion de traceurs passifs.

La circulation hydrothermale océanique est un élément clé dans le transfert de chaleur et de matière des profondeurs de la Terre vers sa surface. Certains sites hydrothermaux produisent de grandes quantités d'hydrogène et de méthane. C'est le cas du site de Rainbow (36°N), situé sur la dorsale médio-atlantique, auquel on s'intéresse ici. Les fortes concentrations d'hydrogène ([H2]=16 mM kg-1) et de méthane ([CH4]=2,5 mM kg-1) des fluides chauds (~365°C) émis par ce site ont été interprétées comme étant issues de l'hydratation des péridotites du diapir mantellique qui constitue son socle géologique du site, mais l'altération d'assemblages gabbroïques pourrait également être à l'origine de sa production d'hydrogène. Ces processus géochimiques dépendent fortement des caractéristiques de l'écoulement des fluides au sein de la matrice poreuse et fracturée du site. Cette étude a donc consisté au développement et à l'application de modèle numériques, thermo-hydrogéologique et géochimique et de leur chaînage, dans le but de caractériser la circulation hydrothermale, la production d'hydrogène et son transport au sein du site de Rainbow. Plusieurs résultats découlent de ces modélisations : la circulation hydrothermale est tridimensionnelle, de faible extension horizontale (Ø~2-8km), doit très probablement être canalisée par un chemin préférentiel de forte perméabilité, et peut être stable sur plusieurs milliers d'années. Nous avons pu montrer que l'hydrogène est produit par serpentinisation en amont de la zone de décharge et estimer les coefficients cinétiques in situ, la quantité d'hydrogène produite et montrer la possibilité d'une production d'une durée supérieure à 25 000 ans.

Le soudage par friction malaxage " Friction Stir Welding " est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature.

Les matériaux composites à matrice thermoplastique occupent de plus en plus un large domaine d'application grâce à leur aptitude à être recyclés et à être assemblés par fusion du polymère, encore appelée soudage. Parmi ces modes d'assemblage, le soudage laser propose de meilleures alternatives. Car, outre le fait qu'elle assure une meilleure tenue mécanique et un meilleur aspect esthétique, cette technique d'assemblage ne crée pas d'endommagement au sein du composite, à l'instar de certaines méthodes comme le rivetage, le vissage ou le boulonnage.L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de rupture probabiliste de l'assemblage par faisceau laser d'un composite thermoplastique à fibres continues.Une description fine du matériau est d'abord effectuée par une approche multi-échelles dont le but était de pouvoir prédire le comportement macroscopique du composite de base connaissant les fluctuations locales de sa microstructure.La caractérisation mécanique de l'assemblage est ensuite effectuée par des essais multiaxiaux au moyen d'un dispositif spécifiques (Arcan-Mines) qui prend en compte l'état de confinement du joint soudé. Ce qui a permis de proposer un modèle de comportement élasto-plastique basé sur le critère de Drucker-Prager généralisé.Des tests par émission acoustique ont permis de faire l'hypothèse de l'existence d'un maillon faible au sein du joint soudé. La rupture est alors évaluée par le modèle statistique de Weibull. Un critère de rupture probabiliste basé sur le premier et le second invariant du tenseur des contraintes est finalement proposé.

Les régions côtières du bassin méditerranéen sont soumises en automne à des évènements de pluie intense. La mer Méditerranée constitue la principale source d'humidité et de chaleur pour ces évènements météorologiques extrêmes. Généralement, la masse d'air instable est transportée par un fort vent de basses couches de la mer vers les reliefs où la convection se déclenche pouvant stationner plusieurs heures au dessus de la même région, produisant de très forts cumuls de pluie localement et conduisant parfois à des crues destructrices. <br /><br />La sensibilité des ces épisodes extrêmes à la SST a tout d'abord été évaluée à l'aide de simulations atmosphériques à haute résolution avec le modèle MESO-NH, sur trois cas d'évènements fortement précipitants dans le Sud-Est de la France: les cas de l'Aude (12-13 novembre 1999), du Gard (8-9 septembre 2002) et de l'Hérault (3 décembre 2003). Différents champs de SST ont été utilisés (analyses obtenues par interpolation optimale des observations in-situ, SST satellite, augmentation ou diminution empirique de la SST). L'importance significative de la valeur moyenne de SST intégrée sous le jet de basses couches sur la convection en terme d'intensité et de localisation a ainsi été mise en évidence. <br /><br />Le rôle de la paramétrisation des flux de surface a été examiné dans une deuxième partie en introduisant dans le schéma de surface SURFEX deux nouvelles paramétrisations ``bulk'' itératives : la paramétrisation ECUME basée sur une calibration multi-campagne des coefficients d'échanges et la paramétrisation COARE 3.0. Sur les trois mêmes épisodes, les simulations utilisant ces deux nouvelles paramétrisations ``bulk'' itératives simulent des valeurs de stress et d'évaporation plus faibles que celles obtenues en utilisant la paramétrisation originale de MESO-NH (Louis, 1979). <br /><br />Dans une troisième partie, une modélisation couplée océan-atmosphère a été mise en place entre le modèle MESO-NH et un modèle océanique 1D en équation d'énergie cinétique turbulente, afin d'évaluer sur les trois mêmes cas d'étude, l'impact des fortes précipitations et du fort stress associé sur la couche de mélange océanique et les rétroactions sur la convection atmosphérique. Les résultats montrent la robustesse du modèle océanique sous le forçage atmosphérique extrême imposé même en région côtière. La réponse océanique à courte échéance montre un fort approfondissement de la couche de mélange océanique sous le jet de basses couches et la formation locale de couches de mélange internes associées aux précipitations intenses. Ce type de réponse est particulièrement important pour la dynamique de l'océan superficiel ainsi que pour la couche limite atmosphérique.

La zone de subduction des Tonga-Kermadec est le résultat d une évolution géodynamique complexe. L intéraction des mécanismes d ouverture du domaine arrière-arc, de la subduction de la ride oblique de Louisville, de la déchirure de la plaque Pacifique plongeante ou encore d une obliquité de convergence croissante du Nord au Sud de la zone, est à l origine de la segmentation morphotectonique actuelle du système. Une approche couplée de modélisation numérique 3D et de sismotectonique a permis d étudier l état de contrainte d un système convergent induit lors de la subduction d une plaque océanique le long d une marge courbe ou encore, lors de la subduction d un relief océanique. Pour cela, un code numérique en éléments finis thermo-mécanique en 3D (ADELI-3D) a été développé par R. Hassani, puis validé dans le cadre de cette thèse. Les résultats soulignent un effet significatif des variations latérales d un système convergent sur les déformations lithosphériques engendrées. (1) Dans le cas de marges à géométrie courbe, une convexité ou concavité vers l océan, induit respectivement un régime compressif ou extensif dans la plaque supérieure et ce, quel que soit le contraste de densité entre la lithosphère et l asthénosphère ou encore la valeur du coefficient de friction interplaque. (2) Les résultats des simulations numériques 3D et de l étude sismotectonique ont mis en évidence le rôle significatif de la subduction d une ride océanique sur l état de contrainte de la plaque supérieure. La subduction d une ride se traduit par la surrection de la marge et un régime compressif au front du relief en subduction. Nos simulations montrent que la distribution des contraintes au sein de la plaque chevauchante est contrôlée par l obliquité de la ride. Dans la plaque chevauchante du système Tonga-Kermadec, une segmentation tectonique et cinématique des zones d arc et d arrière-arc est mise en évidence à travers la résolution de l état de contraintes déduit des mécanismes au foyer. Un régime de contraintes similaire est obtenu dans nos modèles 3D et nous permet de confirmer le rôle significatif de la subduction de la ride de Louisville sur la structuration actuelle du bassin arrière-arc de Lau. (3) L étude de la distribution de la sismicité et des mécanismes au foyer de la plaque plongeante révèle une influence de cette ride sur le comportement profond de la plaque. Un saut de subduction, qui coïncide avec l arrivée de la ride de Louisville dans la fosse est mis en évidence au Nord de la ride de Peggy. Ce saut de subduction s est accompagné d un détachement de la partie profonde du panneau plongeant, souligné par une vaste lacune de sismicité sous le Bassin de Lau. Une étude fine de la distribution de la sismicité de la plaque supérieure a permis d identifier de nouvelles structures tectoniques dans le Nord du système Tonga, à savoir l axe Futuna-Niua Fo ou, interprété comme une ancienne frontière de plaques et l accident intra-arc de Niuatoputapu, impliqués dans la réorganisation globale du système.

En raison de leur faible conductivité thermique et de leur rigidité spécifique élevée, les matériaux composites verre-E/époxyde à renfort textile sont utilisés pour la fabrication des supports de cryodipôles de l'accélérateur de particules LHC. Ces supports sont soumis à des chargements thermique et mécanique complexes nécessitant une étude approfondie de leur réponse. La méthode d'étude proposée ici est de type multi-échelle. Elle est basée sur deux homogénéisations successives, de manière à prendre en compte la forte thermodépendance du module d'élasticité et de la déformation thermique de la résine d'une part et le mécanisme des phonons qui modifie le transfert thermique aux interfaces fibres/matrice pour les températures inférieures à 10 K d'autre part. <br />A chaque étape de cette étude, les résultats des modèles sont validés par des résultats de mesures de conductivité thermique et de modules d'élasticité pour des températures comprises entre 4,2 K et 293 K.

Résumé<br /><br />L'Himalaya et le Plateau Tibétain sont considérés comme l'exemple classique de collision continentale. Cependant, de nombreuses questions fondamentales sur la structure, la rhéologie et les processus physiques liés à l'évolution de la lithosphère de cette région restent ouvertes.<br /><br />Dans le cadre de l'expérience sismologique Hi-CLIMB, un grand nombre de stations large-bande (255) a été déployé pendant trois ans sur un profil de 800 km, à travers l'Himalaya et la moitié sud du Plateau Tibétain. L'espacement serré des stations (~4-9 km), la quantité importante des données (1.5 téraoctets), et l'utilisation de méthodes comme les fonctions récepteurs haute-fréquence ainsi que les conversions multiples ont permis d'obtenir une image détaillée des structures lithosphériques à toute échelle. Ces images permettent un suivi: (1) des failles à faible profondeur (~3-4 km); (2) du chevauchement majeur (MHT) de sa partie superficielle jusqu'à sa continuité profonde et ductile; (3) des zones à vitesses lentes localisées et peu profondes ("bright spots") sous le Tibet en corrélation avec des grabens; (4) de la croûte inférieure indienne sous-plaquée au bloc Lhasa. De plus, nos résultats suggèrent que (5) la lithosphère inférieure indienne avance vers le nord jusqu'au centre du Plateau Tibétain, où elle est opposée au manteau lithosphérique de l'Eurasie; que (6) les sutures en surface n'ont pas de signature marquée en profondeur; et que (7) les discontinuités du manteau supérieur à 410 et 670 km ne sont pas affectées par l'orogenèse. Les informations obtenues sur les géométries sont ensuite utilisées dans deux applications.<br /><br />La rhéologie de la plaque Inde est réévaluée en utilisant l'image améliorée de sa flexure sous le bassin avant-arc. Les résultats des modélisations thermomécaniques montrent que l'épaisseur élastique équivalente diminue du sud au nord dû au découplage lié à l'affaiblissement flexural et thermique. Le support de la topographie du Plateau Tibétain ainsi que l'isostasie régionale en Himalaya nécessitent un manteau résistant.<br /><br />En combinant la géométrie du sous-plaquage avec des anomalies de Bouguer, une densification localisée de la croûte inférieure indienne est mise en évidence à l'endroit où elle atteint sa profondeur maximale. Cette densification est associée à l'éclogitisation. Des analyses du champ thermique et les relations pression--température--densité en supposant différents niveaux d'hydratation sont effectuées par des modélisations thermo-cinématiques et pétrologiques. Les résultats suggèrent que la croûte inférieure indienne est partiellement hydratée, et que l'éclogitisation subit un retard. Ce dernier effet est expliqué par l'absence d'eau libre dans le système, l'éclogitisation n'ayant pas lieu jusqu'à l'occurrence des réactions de déshydratation à des P-T plus élevées que les conditions d'équilibre.<br /><br />En conclusion, cette thèse apporte de nouvelles contraintes sur la géométrie et les propriétés internes de la lithosphère, éléments clés pour mieux évaluer l'importance des différents processus physiques impliqués dans la mise en place des structures et l'évolution de la déformation en Himalaya-Tibet.