Nous avons tou(te)s été témoins des nuages d'étourneaux dans le ciel ou de la formation de bancs de poissons dans l'océan. Ce type d'organisation chez les êtres vivant se produit aussi à des échelles parfois invisibles pour l'oeil humain: celles des micro-organismes. Les suspensions de micro-nageurs présentent une dynamique riche. Elles peuvent former des structures cohérentes résultant d'un mouvement collectif, mélanger le fluides environnant et/ou modifier ses propriétés rhéologiques. Leurs comportements peuvent jouer un rôle important dans la survie, l'équilibre des espèces, leur stratégie trophique et même pour la fertilité animale. La diversité des phénomènes observés résulte de l'interaction complexe entre mécanismes de nage, processus physiologiques, processus chimiques et interactions hydrodynamiques. Comprendre et maîtriser les mécanismes impliqués fait nécessairement appel la Mécanique des Fluides. Les études expérimentales permettent de mettre en exergue certains phénomènes et parfois de les expliquer. Cependant la modélisation s'avère indispensable. Or, inclure une description fine des mécanismes de nages dans une suspension contenant des milliers (voire des millions) d'individus, implique de considérer une vaste gamme d'échelles couplées (typiquement du micron 10^-6m au millimètre 10^-3m). Décrire une physique multi-échelles pour ce type problème reste un défi majeur pour la modélisation numérique actuelle. Ainsi, dans le cadre de cette thèse nous nous proposons d'apporter une contribution dans cette direction. Nous montrerons dans une premiere partie qu'il est possible de reproduire les mécanismes de nage de façon satisfaisante à l'échelle du micro-organisme avec des modèles de différentes complexités. Nous présenterons ensuite nos développements pour étendre ces modèles a l'échelle de la suspension. Nous montrerons comment inclure simultanément les effets Browniens qui agissent sur les plus petite particules (10^-6m). Enfin, nous exploiterons l'outil mis en place pour simuler des suspensions actives. Sa capacité à reproduire certains résultats de la littérature à précision égale, à moindre coût et à plus grande échelle, permet de combler le fossé entre modèles individuels, travaux expérimentaux et modèles continus issus de la théorie cinétique. Forts de cet outil, nous tenterons de répondre à deux questions ouvertes dans la littérature expérimentale : l'origine des corrélations d'orientation dans les suspensions de microgouttes auto-propulsées et les mécanismes en jeu dans la diffusion des particules Browniennes dans les suspensions actives. / We have all witnessed the flocking of starlings in the sky and the schools of fish that form in the ocean. This kind of organization of living creatures is not limited to those that we see, but also occurs for those that we don’t : swimming microorganisms. Suspen- sions of micro-swimmers exhibit a rich dynamics. Their behaviors can play an important role in the survival of the group, its development, the balance between species, their trophic strategies and even animal fertility. They can form coherent structures due to collective motion, mix the surrounding fluid or modify its rheological properties. Such diversity results from the complex interplay between swimming strategies, physiological processes, chemical reactions and hydrodynamic interactions. Fluid Mechanics is there- fore essential to understand and master the mechanisms involved in these phenomena. While experimental studies bring out new findings and, sometimes, provide physical ex- planations, modeling remains essential. Yet, including an accurate description of the micro-swimmers in a suspension containing thousands (nay millions) individuals, requires considering a wide range of coupled scales (from one micron 10^−6m to several millimeters 10^−3m). What happens on large scales depends on sophisticated mechanisms occurring two or three orders of magnitude below. Therefore, the multiscale modeling of such phenomena is still a major challenge for the state-of-the-art numerical methods. This thesis aims at providing a contribution in that direction. In a first part, we will show that reproducing swimming mechanisms at the scale of the micro-swimmer can be achieved with various models spanning different levels of complexity. We will then present our developments to incorporate these models in an efficient framework for large scale simulations. We will show how to simultaneously account for the Brownian motion of the smallest particles (10^−6m). Our code reproduces known results from the literature with the same accuracy, but at lower cost and at larger scales, thus bridging a gap between particle-based models, experiments and continuum formulations from kinetic theory. Using the capabilities afforded by our method, we eventually address two open problems in the experimental literature : the origins of orientational correla- tions between interacting self-propelled micro-droplets and the mechanisms at play in the nonlinear enhancement of Brownian particle diffusion in active suspensions.

Les géostructures énergétiques sont des ouvrages de génie civil qui intègrent un circuit de fluide caloporteur. Dans cette étude l’installation de circuits géothermiques dans des remblais est envisagé afin d’injecter ou d’extraire de la chaleur. Lors de la construction de ces remblais, deux paramètres sont à contrôler : la teneur en eau w (%) et la masse volumique sèche rd (Mg/m3). Ces deux paramètres ainsi que la nature du sol, le chargement appliqué et la variation cyclique de la température pourraient influencer la capacité de stockage et la stabilité du système. Après une partie synthétisant l’état de l’art sur ces thématiques, cette thèse comprend une partie expérimentale puis une partie numérique appliquée à un cas test de stockage. Dans la partie expérimentale, l’influence de la variation de température induite par l’échange thermique sur les propriétés thermiques et mécaniques du sol est étudiée. Pour cela des essais sont réalisés en laboratoire sur un limon du bassin parisien compacté et soumis à une gamme de variation de température de 20° à 50°C. Les effets de ces variations sur les paramètres mécaniques et les paramètres thermiques sont mesurés. Les résultats obtenus montrent une évolution des paramètres thermiques du matériau du côté sec de la courbe de compactage, particulièrement visible pour les températures importantes. La réversibilité de l’effet du chauffage est obtenue après plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Les propriétés mécaniques mesurées sont la résistance à la compression simple et les paramètres pressiométriques. Pour cela, des essais en laboratoire, à l’échelle métrique, sont réalisés. Un ramollissement du sol sous l’effet du chauffage et une rigidification sous l’effet des cycles thermiques sont constatés. Pour optimiser le système du stockage, une modélisation thermo-hydrique d’un remblai modèle réalisé avec le limon de Plaisir compacté légèrement du côté humide de l’optimum Proctor est effectuée. La comparaison des cas tests a permis de déterminer l’entraxe qui minimise l’interaction entre les sondes thermiques, ainsi que la distance optimale entre les dernières sondes et le pied de remblai. Les scenarii d’injection/extraction étudiés ont montré que le stockage de chaleur dans le remblai est faisable en choisissant un programme thermique adéquat pour l’exploitation du stockage. La mise en place de plusieurs lits de sondes thermiques et d’une isolation thermique sur la partie supérieure du remblai de stockage permet d’augmenter la capacité du remblai à accumuler de la chaleur dans le noyau à la fin de la période de relaxation. La simulation de ce scénario sur 10 ans avec la prise en compte des cycles de température, montre un réchauffement du remblai sur plusieurs années jusqu’à atteindre une évolution équilibrée au bout de la 7 ème année. Arrivé à cet état d’équilibre, l’évolution des températures est reproductible d’une année sur l’autre / Energy geostructures are civil engineering structures equipped with energy exchanger elements in order to store heat seasonally. The aim of this study is the use of compacted soil to store energy through installation of horizontal exchangers in an embankment. During the soil compaction, two parameters were controlled: the water content w and the dry density ρd. This parameters as well as the soil nature, the mechanical load path and the cyclic temperature variation may affect the storage capacity and the system stability. This work includes an experimental part and a modeling part. In the experimental part, the impact of the temperature variation is studied on the thermal and mechanical properties of the compacted soil. The Plaisir loam (PL) extracted from the Paris region was investigated through laboratory tests at a temperatures range of 20 to 50°C. The results showed that the thermal properties of the compacted soils increased on the dry side of the compaction curve. This evolution was clearly confirmed for higher temperatures. The application of cyclic temperature variations showed reversible evolutions in the thermal properties after one cycle. The results of unconfined compressive tests and pressuremeter tests showed that heating induces a softening of the material whereas several temperature cycles induce a stiffening of the material. Thereafter, a coupled thermo-hydraulic modeling of an embankment made of the compacted Plaisir loam is performed in order to optimize the storage system. The comparison of different modelling results, fixed the temperature sensors spacing that minimizes the interactions between them, and the optimal distance between the last sensors and the bottom of the slope. It is shown that if an appropriate thermal program is chosen, the heat storage in the embankment could be possible. A better efficiency of the storage capacity can be reached by introducing 3 temperature sensors rows in the storage and by covering the storage with a thermal insulation. The simulation of this scenario over 10 years including temperature cycles shows a heating of the embankment for several years, until to reach an equilibrium state after the 7th year

La biosphère marine joue un rôle fondamental dans la dynamique du Système Terre (cycle du carbone, composition atmosphérique, etc.) et rend un certain nombre de services essentiels à l’humanité (pêcheries, séquestration du carbone notamment). Sa vulnérabilité aux changements globaux (changement climatique, exploitation croissante des ressources naturelles et pollution en particulier) rend nécessaire et urgente l’anticipation de ses évolutions possibles. Dans cette perspective, il s’agira dans cette thèse d’étudier comment les écosystèmes marins sont structurés par leur environnement et comment cette structuration peut influer sur leur fonctionnement jusqu'à l’échelle de l’océan global. Dans un premier temps un cadre de modélisation a été développé pour prendre en compte l'impact de l'environnement des individus aux populations aux communautés. Il est basé sur un modèle de spectre de biomasse représentant les communautés de poisson en utilisant seulement la taille des individus et la taille maximum des espèces comme variables. Issu d'un modèle détaillé par Maury O. & Poggiale J.C. (2013) il est implémenté pour la représentation d'une communauté de poisson générique. Des indicateurs de structure, diversité et métabolisme sont développés pour étudier les écosystèmes ainsi représentés. Une fois le cadre méthodologique définit le modèle est utilisé pour l'étude idéalisée des propriétés du spectre de biomasse contraint par des conditions environnementales variables. L'impact de la variation de production primaire ainsi que la variation de température du milieu sont plus particulièrement étudiés. Tout d'abord en statique, c'est à dire en imposant différents niveaux constants. Indépendamment du forçage les communautés ont des propriétés similaires en augmentant la production primaire, en diminuant la température du milieu. Quatre domaines se succèdent en augmentant la production primaire, diminuant la température, à l'intérieur desquels les communautés de poissons ont des caractéristiques similaires. Les différentes propriétés dans les différents domaines induisent diverses sensibilités des écosytèmes à des niveaux de production primaire et/ou température distincts. Afin de lier les résultats de ces expériences numériques à la réalité, les propriétés des écosystèmes à différentes latitudes sont simulées. Le spectre de communauté est calculé le long d'une section latitudinale de l'équateur au pôle en forçant avec des niveaux moyens de production primaire et température. Les propriétés des écosystèmes ainsi représentés éclairent sur l'observation de tailles d'espèces croissantes de l'équateur aux pôles, la règle de Bergmann. Après ces résultats pour des spectres statiques, les propriétés dynamiques des spectres de communauté sont étudiées par l'étude de la saisonnalité. En forçant les communautés à différentes latitudes par un cycle saisonnier de production primaire et température, la succession d'espèces au sein de celles-ci joue un rôle sur les propriétés des communauté. Des pôles à l'équateur cette succession est plus ou moins marquée et impact la capacité des écosystème à maintenir les espèces les plus larges tout au long de la période de basse production entre deux blooms. Une fois les propriétés du spectre de biomasse évaluées de façon idéalisée, le modèle est implémenté dans le modèle d'écosystème APECOSM afin de prendre en compte les interactions spatiales et les interactions avec l'habitat. Appliqué à l'échelle de l'océan global et forcé par les champs physiques et biogeochimiques du modèle NEMO-PISCES il permet la modélisation des caractéristiques des écosytèmes en fonction de leur environnement. Différentes caractéristiques connues des écosystèmes marins sont reproduites, notamment la règle de Bergmann. Les modèles actuels décrivant le fonctionnement des écosystèmes marins ne comportent que des représentations très simplifiées de la biodiversité / The marine biosphere plays a fundamental role in the earth system dynamics (carbon cycle, atmosphere composition, etc.) and provides numerous essential services to humanity (fisheries, carbon sequestration). Its vulnerability to global change (climate change, growing exploitation of natural resources, pollution) makes the study of its evolutions imperative. In this framework, the aim of this thesis is the study of the structuring of the marine biodiversity by hydro-climatic variability of the global ocean, as well as how this structuring impacts on the ecosystems functioning. First, a modelling framework is developed to account for the impact of environment from individuals to populations to communities. It is based on a biomass size spectrum model which represents fish communities with individuals size and species maximum length as only variables. Detailed in Maury O. & Poggiale J. C. (2013) the model is implemented to represent a generic fish community. Indicators of structure, diversity and metabolism are developed to study so represented ecosystems. Once the methodogical framework defined the model is used for the idealized study of the biomass size spectrum properties when constrained with different environmental conditions. The impact of distinct constant primary production and temperature levels are investigated. First the static impact, forcing ecosystems with constant levels. Communities present similar properties for increasing primary production or decreasing water temperature. A succession of four domains characterized by similar fish community features are observed with increasing primary production, decreasing temperature. These distinct charateristics will induce distinct sensitivities of ecosystems function of the level of primary production or temperature. In order to link the results of these numerical experiments to reality the properties of ecosystems along latitudes are also computed. The community biomass spectrum is simulated along stations at different latitudes from pole to equator forcing with mean primary productions and temperatures. The properties of so represented communities enlight the observation of increasing species length with latitude, the so called Bergmann's rule. After the results for static spectra, the dynamic properties of fish community spectra are analyzed through the seasonality. Forcing communities at different latitudes with a seasonal primary production and temperature cycle a more or less strong species sucession is observed. The succession impacts the capacity of communities to maintain larger species during the bad season of poor conditions between two peaks of primary production. Once the properties of the biomass community spectrum investigated in an idealized manner, the model is implemented in the ecosystem model APECOSM in order to account for the spatial interactions and the link with habitat. Applied in the global ocean and forced with physical and biogeochemical NEMO-PISCES domains the model allows the modelling of ecosystems characteristics. Different known characteristics of marine ecosystems are reproduced, especially Bergmann's rule. The current models describing marine ecosystems provide a simplified representation of biodiversity (e.g. NPZD type biochemical models, Ewe or Atlantis type box models, OSMOSE and APECOSM type models). It induces a limitation of their use in the study of the impact of climate change on biodiversity and reversely; for the study of the impact of biodiversity changes on the functioning of ecosystems. The model we describe mechanistically allows the representation of the dynamic of ecosystems from individual bioenergetic and predation interactions while keeping diversity.

Les disques de débris orbitant dans l'environnement des étoiles proches constituent un indicateur très important des propriétés des systèmes planétaires extra-solaires. Depuis l'espace et au sol, les moyens observationnels actuels permettent de déterminer dans divers domaines de longueurs d'ondes les propriétés spatiales de ces disques et celles des grains de poussières circumstellaires. Cette thèse aborde le sujet de la modélisation des disques de débris, à partir de données fournies par de multiples instruments, en premier lieu les télescopes spatiaux Hubble et Herschel, et les interféromètres infrarouges du VLTI, CHARA, et KIN. Mes premiers projets ont pris place dans le cadre de deux programmes-clés de l'Observatoire Spatial Herschel dédiés à l'étude des disques circumstellaires autour des étoiles proches. Au sein du projet GASPS, j'ai obtenu des observations spectro-photométriques de HD 181327, une jeune étoile (12+8-4 millions d'années, Ma) de type solaire entourée d'un anneau de débris massif de 90 unités astronomique (UA) de rayon vu aussi en lumière diffusée par le télescope spatial Hubble. La bonne détermination de la géométrie de l'anneau permet de se concentrer sur la modélisation de la distribution spectrale d'énergie, afin de mieux caractériser les propriétés des poussières. J'ai utilisé le code de transfert radiatif GRaTer et démontré que le système héberge une population de planétésimaux glacés, qui pourrait représenter une source d'eau et de volatils susceptible d'être libérée sur des planètes telluriques encore en formation. Je discute quelques résultats additionnels obtenus avec Herschel à propos de disques de débris jeunes, notamment HD 32297, et d'analogues faibles de la Ceinture de Kuiper. Les disques exo-zodiacaux (exozodis), analogues du nuage Zodiacal du Système Solaire, représentent une contrepartie chaude (ou tiède) aux disques de débris, résidant proche de la zone habitable (moins de quelques unités astronomiques) et encore mal connue. Ils sont révélés par leur émission proche et moyen infrarouge et peuvent être étudiés avec la précision et la résolution requises grace à l'interférométrie optique. Dans le cas de l'étoile Beta Pictoris (12+8-4 Ma), dont le disque est vu par la tranche, une fraction significative du disque externe diffuse de la lumière vers le champ de vue des interféromètres ; une composante interne chaude doit tout de même être invoquée pour justifier de l'excès mesuré dans l'infrarouge proche. En m'appuyant sur l'exemple de l'étoile Véga (440±40 Ma), je présente la méthodologie employée et démontre que les exozodis chauds se caractérisent par une abondance de poussières sub-microniques, près de la distance de sublimation de l'étoile. D'un point de vue théorique, le mécanisme de production de ces petits grains non-liés est encore incompris. J'aborde plus en détails le cas du disque exozodiacal à deux composantes (chaude et tiède) de Fomalhaut (440±40 Ma). Je développe une nouvelle méthode de calcul des distances de sublimation et recense les processus variés qui peuvent affecter un grain de poussière afin de fournir un cadre pour l'interprétation : l'exozodi chaud à ~0.1 - 0.2 UA serait la signature indirecte d'une ceinture d'astéroïdes située à 2 UA à l'activité dynamique particulièrement intense. Finalement, je dresse un bilan des propriétés des disques de débris et de ce qu'ils peuvent nous apprendre quand on les compare au Système Solaire, et propose de futures directions de recherche pour explorer davantage les systèmes planétaires et leur dynamique. / Debris disks orbiting in the environment of nearby stars are a very important indicator of extrasolar planetary systems properties. From space and from the ground, current observational facilities enable a multi-wavelength determination of the disks structures and of the dust properties. This thesis addresses the topic of debris disks modelling, based on data from multiple instruments including first of all the Herschel and Hubble space telescopes, and the VLTI, CHARA and KIN infrared interferometers. My first research pro jects took place in the framework of two key programs from the Herschel Space Observatory dedicated to the study of circumstellar disks around nearby stars. As part of the GASPS pro ject, I obtained Herschel far-infrared spectro-photometric observations of HD 181327, a young (12+8−4 Myr) Sun-like star surrounded by a massive, 90 AU-wide debris belt, also imaged in scattered light by the Hubble Space Telescope. Proper determination of the belt geometry allows one to focus on modelling the dust properties. I used the GRaTer radiative transfer code to demonstrate that the system hosts a population of icy planetesimals that may be a source for the future delivery of water and volatiles onto forming terrestrial planets. I discuss additional results obtained with Herschel related to young debris disks, in particular HD 32297, and to faint Kuiper-Belt analogues. Exo-zodiacal disks (exozodis), those analogues to the Solar System Zodiacal cloud, represent a little known hot (or warm) counterpart of debris disks located close the habitable zone (inside of a few AUs). They are revealed by their near- to mid-infrared emission and can be assessed with the required accuracy and resolution with optical interferometers. In the case of the near edge-on star β Pictoris (12+8−4 Myr), I show that a significant fraction of the outer disk scatters light towards the small field-of-view of the interferometers; an inner hot component must nonetheless be invoked to explain the measured near-infrared excess. Based on the example of the star Vega (440 ± 40 Myr), I introduce a methodology to study inner dust disks and I show that hot exozodis are characterized by an abundance of submicron-sized grains, close to the star sublimation distance. From a theoretical point-of-view, the production mechanism for these small, unbound grains is not understood. I go into more details on the case of the Fomalhaut (440 ± 40 Ma) double-component (warm and hot) exozodiacal disk. I develop a new model for the calculation of the dust sublimation distances, and I address the various processes that can affect a dust grain in order to provide a framework for interpreting the exozodi: the hot exozodiacal disk may be the indirect signature of an asteroid belt with a particularly high dynamical activity. Lastly I draw up a summary of the properties of dusty debris disks and of what they can teach us when compared to the Solar System. I propose possible future research directions for further investigations of planetary systems and their dynamics.

Cette thèse s'appuie sur les travaux d'Alexander V. Sobolev sur le recyclage de matériel crustal dans le manteau terrestre en lien avec les processus de mise en place des provinces magmatiques et des iles océaniques. Il s'agit d'utiliser des outils pétrologiques et géochimiques couplés à des données de paléomagnétisme haute résolution, et à de la modélisation thermomécanique dans le but de contraindre les processus profonds à l'origine des Trapps du Deccan et leurs conséquences au niveau planétaire (extinction de masse). Dans un premier temps, cette thèse propose une réinterprétation des diverses contraintes temporelles sur la durée de l'éruption des Trapps du Deccan (datations radiochronologiques, paleomagnétisme, profiles d'altérations, et données paléo-environnementales) et suggère un scénario temporel pour la mise en place de cette province magmatique, le tout principalement basé sur des données paléomagnétiques de hautes résolution de Chenet et al (2008, 2009). Ce scénario implique que la phase principale de l'éruption des Trapps du Deccan s'est produite peu de temps avant la limite Crétacé-Paléogène et qu'elle correspond à la mise en place d'environ 1.106km3 de laves en 50ka. Ces chiffres sont équivalents à 150-200 fois le taux d'éruption actuel de l'ile volcanique d'Hawaii. Ce scénario temporel a ensuite été couplé à des données géochimiques élémentaires qui ont permis de mettre en évidence 1) une origine profonde pour la grande majorité des liquides primaires et 2) d'importantes variations de l'assimilation crustale au cours du temps, notamment juste avant la limite Crétacé-Paléogène. Ces phénomènes sont compatibles avec un unique épisode d'érosion lithosphérique de la plaque indienne par les processus magmatiques dans le manteau sous-jacent. Les données relatives aux Trapps du Deccan peuvent être comparées à celles des Trapps de Sibérie et révèlent notamment que l'importante érosion lithosphérique identifiée dans celles-ci n'ait pas eu lieu dans le cas des Trapps du Deccan malgré des caractéristiques mantelliques similaires. Cette différence peut être attribuée à la plus grande épaisseur de la plaque indienne, ainsi qu'à l'existence de zones de faiblesses, liées à l'héritage tectonique du bouclier indien. Ces zones de faiblesses auraient facilité le passage des magmas à travers la plaque de manière à ce qu'une faible proportion d'entre eux seulement ait été impliquée dans les processus de délamination lithospherique. Un ensemble de données géochimiques sur olivine ainsi que de modélisation des liquides magmatiques primaires et de leur source pour les Trapps du Deccan nous ont permis de montrer 1) l'importante contribution d'une source pyroxenitique à la composition des liquide magmatiques primaires (65%), 2) que la gamme de températures potentielles de ces mêmes sources avait due être de l'ordre de 1600°C et 3) que ces dernières contenaient environ 15% de matériel crustal recyclé. Des mesures et calculs similaires appliquées aux laves de la Réunion ont, par ailleurs, montrés des résultats très différents : 50% de liquides pyroxenitiques dans les liquides magmatiques primaires, une température potentielle mantellique de l'ordre de 1500°C et une teneur des sources magmatiques en matériel crustal recyclé de l'ordre de 7%. Ces résultats sont compatibles avec le modèle de panache matellique pour la mise en place des provinces magmatiques et des iles océaniques ainsi qu'avec l'hypothèse du refroidissement séculaire de ces mêmes panaches. Nous en concluons que l'éruption des Trapps du Deccan fut un événement d'une rapidité exceptionnelle et que son implication dans la crise biologique de la fin du Crétacé fut sans doute particulièrement importante. / This PhD aims to build on the previous work by Alexander V. Sobolev and colleagues on crustal recycling within the Earth mantle and LIPs/ocean island magmatism. The PhD focus will be to apply petrology and geochemistry coupled with high-resolution paleomagnetism, and thermo-mechanical modelling in order to constrain the deep processes behind the Deccan Traps (mantle melting and crustal recycling) as well as the consequences at the surface of the Earth (eruption rates and related degassing). Upon revisiting published time constraints on the Deccan eruptions (radiometric dating, paleomagnetism, inter-flow weathering profiles and paleoenvironmental data), we propose a new, paleomagnetism-based (Chenet et al., 2008, 2009), eruption scenario for the Main Deccan Province (Western Ghats). We suggest that the main phase of volcanic activity occurred just before and ended at the Cretaceous-Palaeogene boundary and was responsible for the emplacement of about 1.106km3 of lavas in ~50kyr. This is equivalent to 150 to 200 times present-day eruption rates in Hawaii. Coupling of the paleomagnetism-based timeframe with bulk-rock trace element concentrations revealed that Western Ghats lavas feature 1) a strong garnet signature (Heavy Rare Earth Element depletion), indicative of a deep origin and 2) significant temporal variations in the intensity of crustal assimilation undergone by the rising melts, especially just before the Cretaceous-Palaeogene boundary. We suggest that these excursions are part of a single and localized plume-induced lithospheric erosion event of the Indian lithosphere by the Deccan plume. A comparison of the Deccan Traps with the Siberian Traps exposes significant geodynamical differences. Most notably, the widespread and extensive lithospheric erosion observed in the Siberian Traps did not take place in the Deccan Traps, despite similar mantle characteristics. This difference is attributed to 1) a thicker Indian lithosphere and 2) to the existence of weaknesses in the form of pre-existing structural lineaments. These pre-existing structures facilitated the passage of deep mantle-derived magmas and thus precluded or limited their involvement in a freezing-delamination process. Olivine geochemistry and olivine-based primary melt and source modelling in Deccan Traps lavas showed 1) large contributions of pyroxenite-derived melts (65%) to the primary melts, 2) high potential temperatures of the mantle sources (~1590-1600°C) and 3) that the mantle sources of Deccan Traps magmas contained ~15% of recycled crustal material. These observations contrast with those obtained from Réunion Island lavas (50% of pyroxenite-derived melts, mantle potential temperatures of 1490-1500°C and 7% of recycled crustal material in the sources of Réunion Island magmas. Our results are compatible with the plume model for LIPs and ocean island magmatism as well as with a secular cooling of mantle plumes. We conclude, along with many authors, that the emplacement of the Deccan Traps was a remarkably swift and catastrophic event at the end of the Cretaceous and that it likely played a significant role in the end-Cretaceous mass extinction.

Afin de permettre l’utilisation de hautes fréquences dans le domainedu chauffage par induction industriel, l’emploi d’inducteurs multibrins est envisagé.Or, les pertes occasionnées dans ces inducteurs peuvent être importantes etdépendent fortement de leur géométrie interne qui est complexe. Pour faciliter laconception d’inducteurs multibrins à faibles pertes, il est nécessaire d’en comprendrele comportement électromagnétique. Dans cette thèse, nous présentons ledéveloppement d’un logiciel de calcul parallèle dévolu à la modélisation électromagnétique3D d’inducteurs multibrins. Nous décrivons une méthode originale deconstruction de la géométrie des inducteurs. Ce logiciel est basé sur une méthodenumérique de type intégrale ayant l’avantage de ne pas nécessiter le maillage desespaces entre les brins. L’emploi du calcul parallèle est une des grandes forces de celogiciel. Les études réalisées montrent l’impact de la géométrie sur le comportementde ce type d’inducteur. / In order to enable to use high frequencies in the domain of the industrialinductive heating, the use of multi-wires inductors is considered. But, lossesoccurring into that inductors can be important and strongly depend on their complexinternal geometry. To facilitate the design of lossless multi-wires inductors, it isnecessary to under stand their electromagnetic behavior. In this thesis, we presentthe development of a software of parallel computation intended to the 3D electromagneticmodeling of multi-wires inductors. We describe an original method ofbuilding of the geometry of that inductors. This software is based on an integralmethod in which the meshing of spaces between the wires is unnecessary. The useof parallel computing is one of the great forces of this software. The studies werealized show the impact of the geometry on the behavior of that type of inductor.

La surface enneigée du continent Antarctique, sauf pour quelques heures les après-midi d'été, se refroidit constamment radiativement. Il en résulte une stratification stable persistante de la couche limite atmosphérique qui alimente un écoulement catabatique le long des pentes qui descendent du plateau vers l'océan. Les inversions de températures et les vitesses de vents associées sont extrêmes l'hiver où une inversion moyenne de 25°C sur le plateau et des vitesses dépassant les 200 km/h sur la côte sont régulièrement observées. L'été, les inversions restent très marquées la nuit, mais le réchauffement de la surface par le soleil conduit au développement de couches convectives l'après midi. Des replats et des pentes immenses et vides, inlassablement recouverts de neige : l'Antarctique est un laboratoire unique pour étudier les transitions entre les régimes turbulents, et surtout la turbulence dans les couches limites stables et catabatiques. Des processus délicats à étudier, puisque très sensibles aux hétérogénéités de la surface. Ce travail de thèse documente trois cas d'école estivaux typiques : le cycle diurne sur le plateau Antarctique, la génération d'un écoulement catabatique local, et la couche limite soumise à un forçage catabatique. Ces trois situations ont été explorées avec des observations in-situ. Pour deux d'entre elles, les observations ont nourri et ont été complétées par des simulations avec le modèle atmosphérique Méso-NH. Le premier cas s'intéresse au cycle diurne au Dôme~C. Le Dôme~C, sur le plateau Antarctique est une zone plate et homogène éloignée des perturbations océaniques. Depuis quelques années, une tour de 45 m échantillonne la couche limite. L'été, un cycle diurne marqué est observé en température et en vent avec un jet de basse couche surgéostrophique la nuit. Une période de deux jours, représentative du reste de l'été, a été sélectionnée, pour la construction du cas d'intercomparaison GABLS4, préparé en collaboration avec Météo-France. Les simulations uni-colonnes menées avec le modèle Méso-NH ont montré la nécessité d'adapter le schéma de turbulence afin qu'il puisse reproduire à la fois les inversions de température et l'intensité de la turbulence mesurées. Le deuxième cas d'école examine un écoulement catabatique généré localement, au coucher du soleil, observé sur une pente de 600 par 300 m en Terre Adélie. Certaines caractéristiques de la turbulence, en particulier l'anisotropie, ont été explorées à l'aide de simulations à fine échelle (LES). Le troisième cas s'intéresse à la couche limite mélangée typique des zones côtières soumises à un vent intense. Ce vent d'origine catabatique, a dévalé les 1000 km de pente en amont. En remobilisant la neige, il interagit avec le mélange turbulent. Le travail s'est intéressé dans ce troisième cas à l'impact du transport de neige sur l'humidité de l'air et au calcul des flux turbulents à partir des profils de température, vent et humidité. / Except during a few summer afternoon hours, the snow-covered surface of Antarctica is constantly cooling because of radiative processes. This results in a stable, persisting stratification of the atmospheric boundary layer that feeds katabatic winds along the slopes descending from the Plateau to the Ocean. Temperature inversions and wind speeds both peak during the winter, with inversions regularly reaching 25 degrees (C) over the Plateau and winds exceeding 200,km/h along the coast. In the summer, significant inversions remain at night but solar heating leads to the formation of convective layers near the surface in the afternoon. With berms and large, empty slopes constantly covered with snow, Antarctica is a unique and perfect laboratory for the study of transitions between turbulent regimes and of the turbulence within stable and katabatic boundary layers. The investigation of these processes is usually made difficult by their sensitivity to heterogeneities at the surface. This thesis work documents three typical "text-book" summer cases: the diurnal cycle on the Antarctic Plateau, the generation of a local katabatic wind and the katabatic forcing of the boundary layer. The investigation of these three cases uses in-situ data. For two of these cases, the observational data has fed and been completed with some Meso-NH model simulation outputs. The first case focusses on the diurnal cycle at Dome C. On the Antarctic Plateau, Dome C is a flat, homogeneous area far from oceanic perturbations. Since a few years, a 45 meters tower samples the boundary layer there. In the summer, the diurnal cycle there is characterized by clean signals in both temperature and winds, with a nocturnal low-level jet within the boundary layer. A two-days data set representative of the rest of the summer has been selected for analysis and is used in the GABLS4 comparison study prepared in collaboration with Meteo France. Single-column simulations have been run for this comparison work launched in June. The second case examines a local katabatic flow generated at sunset over a 600 by 300 meters slope in Terre Adelie. Characteristics of the turbulence of this flow, in particular, its anisotropy, are investigated using small-scale model simulations. A measuring station has been deployed in order to prepare and evaluate these simulations. The third case is concerned with boundary layers typical of coastal areas with strong winds of katabatic origins, which have flown over 1000 km-long slopes towards the sea. By moving around the snow at the surface, these winds interact with turbulent mixing processes. For this final case, the work is interested in the impact of blowing snow on atmospheric moisture and with the calculation of turbulent fluxes based on temperature, wind and humidity profiles.

Les milieux cristallins fracturés constituent un potentiel géothermique non négligeable. Il est essentiel d'améliorer son exploitation, pour la géothermie basse et haute énergie, afin de répondre au processus de transition énergétique. Pour cela, la compréhension des mécanismes de transport thermique dans les milieux fracturés est fondamentale. Le transport de chaleur est fortement influencé par l'hétérogénéité hydrodynamique des milieux fracturés et par la géométrie des fractures et des blocs matriciels. A travers des travaux basés sur des développements analytiques et numériques ainsi que des expériences sur site, l'objectif de cette thèse est ainsi de mieux évaluer l'impact de la géométrie des fractures, que ce soit à l'échelle d'un réseau de fractures, ou à l’échelle d’une fracture, sur le transport et le stockage d’énergie thermique dans les milieux cristallins fracturés. Des simulations numériques du transport de chaleur dans un réseau simple de fractures planes et bien connectées ont permis de caractériser l'impact de la géométrie du système de fractures sur le stockage thermique. Deux régimes sont mis en évidence. Tout d'abord, à court terme, la densité de fractures ou de chemins préférentiels, caractérisant la surface d'échange, contrôle l'échange thermique. Puis, à long terme, c'est le volume de roche total entre les fractures qui contrôle le stockage thermique. Ce modèle ne prend toutefois pas en compte la variabilité des ouvertures à l'échelle de la fracture qui est particulièrement présente dans les réseaux de fractures naturels. Des tests de traçage thermique et de soluté ont ainsi été réalisés pour caractériser le transport de chaleur dans un milieu fracturé sur le site de Ploemeur (SNO H+). Pour interpréter les traçages, les expressions analytiques du retard et de l'amplitude du pic de la courbe de restitution thermique ont été développées pour différentes géométries de fractures : fractures planes et chenaux. Ces expressions constituent un outil puissant et novateur pour caractériser la géométrie des fractures lors de tests de traçage thermique mais aussi pour prédire le déplacement du front thermique et la durée de vie des systèmes géothermiques à partir de tests de traçage de soluté. La comparaison de ces expressions avec les résultats expérimentaux permet de mettre en évidence l'importante chenalisation des flux, induisant l'arrivée anticipée du traceur thermique. / Fractured crystalline media has a significant geothermal potential. Its exploitation, for low and high enthalpy geothermal power generation, could be enhanced to satisfy the energy transition process. For this, understanding thermal transport processes in fractured media is fundamental. Heat transport is strongly influenced by hydrodynamics heterogeneity of fractured media and by fracture and matrix block geometry. Through analytical and numerical modelling and field site experiments, the aim of this thesis is thus to better assess the impact of fracture geometry on thermal transport and storage in fractured crystalline rock, at fracture and fracture network scale. Numerical simulations of heat transport in a simple network of well connected plane fractures allowed us to characterize the impact of the fracture system geometry on thermal storage. Two regimes are highlighted. First, at short term, the density of fractures, or preferential paths, controls heat exchanges. Then at long term, the total rock volume between the fractures controls thermal storage. This model does not take into account the aperture variability at fracture scale, which is particularly present in natural fracture networks. Thus, thermal and solute tracer tests have been achieved to characterize heat transport in a fractured media at Ploemeur field site (SNO H +). To interpret the tracer tests, analytical expressions of thermal breakthrough peak retardation and amplitude have been developed for different fracture geometries : parallel plate fractures and channels. Those expressions are a powerful and innovative tool to characterize fracture geometries from thermal tracer tests, and also to predict thermal front transit time and lifetime of geothermal systems from solute tracer tests. Confrontation of those expressions to experimental results shows that observed differences between thermal and solute breakthrough can be explained only by channeling flow inducing low thermal transit times.

Un fluide porté à une température et pression supérieures à celles du point critique est communément appelé fluide supercritique. Ce fluide possède des propriétés particulièrement intéressantes à cheval entre celles des gaz et celle des liquides. En effet, la masse volumique d’un fluide supercritique est proche de celle d’un liquide tandis que sa viscosité est proche de celle d’un gaz. Une des caractéristiques particulières de ces fluides quand ils s’approchent du point critique est que plusieurs des propriétés thermo-physiques montrent un comportement singulier (compressibilité divergente, diffusivité thermique évanescente etc). Dans ce travail, un modèle mathématique basé sur les équations de Navier-Stokes couplées à celle de l’énergie est proposé afin d’étudier les écoulements de ces fluides très proches de leur point critique. La validation du modèle a été effectuée sur un problème de propagation d’onde acoustique dans l'eau. Nous avons ainsi observé que des solutions précises avec des schémas implicites pour des systèmes non linéaires sont possibles avec des nombres de Courant élevés. L’étude des écoulements dans des fluides supercritiques, lorsqu'ils sont assujettis à une trempe thermique et à une vibration simultanées ont montré que de telles conditions pouvaient conduire à la formation d’instabilités thermo-vibrationnelles, en particulier les instabilités de Rayleigh-vibrationnelles et paramétriques. Les simulations numériques nous ont permis de relever deux phénomènes particulièrement surprenants : (i) la température du fluide à l’intérieur du domaine devient inférieure à la trempe de température imposée à la frontière et (ii) une oscillation des doigts d’instabilité apparaît dans la couche limite thermique dans la direction de la vibration. Dans le cas des fluides sous le point critique (cas diphasique), le modèle compressible développé est couplé à un de champ de phase (“phase field”) dans les conditions isothermes. Des cas tests élémentaires ont été considérés avec succès. Une discussion est proposée afin d’étendre le modèle dans le cas d’une transition continue du régime supercritique au régime sous-critique et vice-versa. / A fluid, in addition to its liquid and gas phase, is known to exist in another phase, wherein the fluid inherits some properties of both the phases. Such a fluid is called a supercritical fluid and the conditions (pressure and temperature) beyond which the fluid exists in this state is called the critical point. One of the peculiar feature of the fluids near the critical point is that the various thermo-physical properties show a singular behavior, such as diverging compressibility, vanishing thermal diffusivity etc. The flow behavior near the critical point leads to intriguing flow features ascribed to the strong thermo-mechanical coupling whose in-depth investigation can be limited by experimental constraints especially during a continuous transition from supercritical to subcritical regime. The current work focuses on analyzing the flow behavior in near-critical fluids with prime focus on supercritical fluids. This is achieved by developing a mathematical and numerical model which is followed by the validation study and error analysis of the numerical scheme wherein unusual behavior of the Courant number is observed. Subsequently, the flow behavior of supercritical fluid is studied when simultaneously subjected to thermal quench and vibration, mainly Rayleigh-vibrational and parametric instabilities, their physical mechanism and various parameters affecting them. In addition, two captivating phenomena, firstly where the temperature of the fluid region drops below the imposed boundary condition and secondly, the see-saw motion of the thermal boundary layer are observed and physical explanations are provided. In order to investigate the flow dynamics in subcritical regime, phase-field modelling approach is explored for isothermal conditions. The model is examined for elementary test cases illustrating the feasibility to extend the model for a continuous transition from supercritical to subcritical regime.

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. / The friction stir welding is a process for assembling a semisolid phase parts. The weld seam is achieved by a revolution tool consists of the shoulder and the pin. This process converts the mechanical energy into heat energy by friction of the tool with the parts to be joined.This thesis is a contribution to the experimental modeling and numerical simulation of this process in order to provide models to assist in understanding the thermal and mechanical phenomena and interactions between the welding parameters. Experimental studies are used for the characterization of the material flow with markers and to optimize the process parameters. The effect of tool geometry (cylindrical pin or tool with flats) on the material flow during welding is studied. To represent the flow geometry and predict the thermal and mechanical fields in the steady state, CFD models are adopted in this thesis. Two thermomechanical models are developed: (1) first numerical model is used to study the thermomechanical behavior and flow during FSW. FLUENT is employed to solve the coupled thermal and fluid flow equations. A behavior law depending on temperature and strain rate is used and a discussion on the contact conditions between the tool and the workpieces is presented. The results of the flow are compared with those obtained experimentally in the followed case of trajectories copper particles. (2) A second original model based on iterative procedure is implemented to welding large plates. To take account the correctly thermal boundary conditions, a thermomechanical model built around the welding tool and coupled with a thermal model for the rest of the area studied. This model allows taking into account the transfer of heat in the tool and in the backing-bar. Thermal cycles and the viscosity range for two aluminum alloys (AA7020-T6 and AA6061-T3) are successfully analyzed and compared with experimental results. The loads and torque welding are calculated numerically and validated in the literature.