Ce travail de thèse porte sur la modélisation des ionosphères planétaires comme celle de la Terre et de Titan à travers les processus de transport cinétique des électrons et des protons. La modélisation des ions doublement chargés N2++, O2++ et O++ créés par photoionisation a constitué la première étape de ce travail. Les résultats de la simulation sont comparés avec succès aux seules données disponibles sur Terre pour O++. De cette validation expérimentale, nous prédisons ainsi la présence d'ions moléculaires doublement chargés dans l'ionosphère de la Terre et de Titan. Dans un deuxième temps, nous détaillons la genèse du modèle d'ionosphère TRANS4, à travers le couplage et l'optimisation de différents codes de transport cinétique et fluide capables de modéliser simultanément les précipitations d'électrons et de protons. Ce modèle constitue un outil unique et cohérent de diagnostic de l'impact combiné des protons et des électrons sur l'ionosphère en permettant notamment le calcul des profils de raies Balmer de l'hydrogène. La comparaison aux données a permis ensuite une approche quantitative du comportement de l'ionosphère soumis à un événement actif proton-électrons, sous le triple angle des données radar, satellite et optique. Les perspectives sont nombreuses et le portage du code dans d'autres ionosphères telles Titan, Mars ou Vénus est une voie de recherche privilégiée, qui coïncide avec les mesures en direct des sondes Cassini, Mars Express et Vénus Express. Une collaboration étroite avec le Laboratoire de Chimie Physique (LCP, Orsay) ainsi qu'avec les universités d'Oslo et de Svalbard (UNIS) a été menée tout au long de ce travail.

Le régime tectonique actuel de la chaîne des Alpes centrales/occidentales est analysé grâce à une compilation de 389 mécanismes au foyer. Cette synthèse met en évidence l'importance des phénomènes extensifs, caractérisant l'ensemble de la 'haute' chaîne. Les directions d'extension sont orientées perpendiculairement à l'orogène, tandis qu'en domaine externe, les directions de compression sont orientées en éventail perpendiculaire à l'arc alpin, dans un contexte globalement décrochant (dérivant localement vers l'extension ou la compression).<br />Un modèle de ré-équilibrage gravitaire est avancé et testé par modélisation numérique en éléments finis, d'une part en 2.5D, d'autre part en 2D (coupe ECORS). Ces études de modélisation montrent l'importance des phénomènes d'étalement gravitaire dans la chaîne, aboutissant à un régime de déformation/contraintes proche de celui observé par les outils sismotectoniques et permet de proposer un régime tectonique actuel post-collisionnel au niveau des Alpes centrales/occidentales.<br />Des études de quantifications de la déformation montrent des taux de déformation faibles, de l'ordre de 1 à 3 mm/a pour les calculs sur base GPS et de 0.1 à 0.4 mm/a pour les calculs sur une base sismologique (la différence entre les deux quantifications posant la question des déformations asismiques dans la chaîne). Les taux de rotation montrent des rotations faibles, de 2 à 2.5 degrés/Ma, probablement associé à la rotation antihoraire de la plaque Apulienne qui entraînerait la rotation antihoraire du coeur de l'arc, tandis que des rotations horaires observées en domaine externe résulteraient de la rotation de blocs situés le long des grands décrochements dextres de la bordure occidentale de l'orogène.

Cette thèse s'est intéressée à l'étude des interactions entre tectonique et érosion à différentes échelles spatio-temporelles dans le contexte himalayen, à l'aide de la modélisation numérique. Nous avons pu montrer que : A l'échelle du pli, le détournement des rivières antécédentes lors de la croissance d'une structure dépend des puissances relatives de l'érosion et de la tectonique, mais aussi et principalement du pendage du décollement ; A l'échelle du système chevauchant, la dynamique d'évolution d'un prisme est fortement influencée par les processus de surface et en particulier par l'incision des rivières. Dans certains cas pour lesquels l'érosion est très importante, la propagation frontale du prisme est même impossible ; A l'échelle crustale, les déformations et les flux de matière, et donc les caractéristiques des roches exhumées dans le système Himalayen, dépendent fortement de la localisation et de l'intensité des précipitations, ainsi que de la présence ou non de sédimentation à l'avant de la chaîne.

Ce dossier d'habilitation à diriger des recherches dresse un bilan de mon activité de recherche effectuée depuis l'obtention de ma thèse de doctorat, d'abord au Research School of Earth Sciences de l'Australian National University (1995-1997) et depuis 1998 au Laboratoire de Géodynamique des Chaînes Alpines de l'Université Joseph Fourier. Il présente également le projet scientifique que j'envisage de poursuivre dans les années à venir. Je présente dans la première partie mon Curriculum Vitae avec un bilan succinct des thèmes de recherche que j'ai développés, mon activité d'encadrement de jeunes chercheurs et d'enseignement, ainsi qu'une liste de mes publications et conférences. La deuxième partie propose quelques éléments de réflexion sur les relations entre tectonique, érosion et l'évolution du relief à long terme. Après une introduction générale, je dresse le bilan de ma contribution sur ce terrain, en ce qui concerne le développement et l'utilisation de modèles numériques des processus de surface pour étudier l'évolution du relief, ainsi que dans l'acquisition de données thermochronologiques pour contraindre les taux de dénudation. La troisième et dernière partie de ce mémoire présente mon projet de recherche, axé sur le développement des modèles numériques des processus de surface et la mise en œuvre de nouvelles bases de données permettant d'appréhender l'évolution du relief. Afin de permettre une plus grande accessibilité pour tous les membres du jury d'habilitation, les deuxième et troisième parties de ce dossier seront rédigées en anglais.

Les phyllosilicates hydratés tels que les argiles sont à ce jour mal contraints thermodynamiquement. Leur domaine de stabilité, en particulier vis-à-vis de la température, est mal connu ; il est même inexistant pour certains auteurs, pour qui les argiles sont métastables. Nous utilisons un protocole expérimental dans lequel une succession d'équilibres locaux entre un fluide et des minéraux en précipitation se met en place le long d'un gradient thermique (Goffé et al., 1987). Nous obtenons ainsi une succession de minéraux néoformés à l'équilibre avec le fluide et la température, desquels nous déduisons les champs de stabilité thermique des différents assemblages minéralogiques. Les expériences ont été menées dans des systèmes chimiques simples : Mg-Al-Si-H2O (MASH), K-Al-Si-H2O (KASH), et K-Mg-Al-Si-H2O (KMASH). Les séquences de cristallisation observées le long du gradient thermique sont les mêmes lorsque les capsules contenant le matériel de départ sont interverties par rapport au gradient thermique. Cette « réversibilité » des expériences montre que les séquences de cristallisation sont bien l'expression d'un équilibre local. On observe, avec l'augmentation de température (de 200 à 350°C), les successions suivantes : smectite dioctaédrique → smectite trioctaédrique ; kaolinite → donbassite → chlorite trioctaédrique ; smectite → illite → muscovite ; ou encore kaolinite → illite + smectite → donbassite ; successions minéralogiques communément observées dans les systèmes hydrothermaux. Ces séquences expérimentales permettent de développer un modèle thermodynamique des phyllosilicates hydratés qui tient compte de l'évolution de leur état d'hydratation en fonction de la température. Ce modèle permet de mettre en évidence les champs de stabilité des argiles entre 200 et 300°C. Le dynamisme chimique et minéralogique mis en évidence dans ces systèmes expérimentaux est utilisé pour rendre compte des dissolutions/précipitations pouvant avoir lieu entre le fluide chaud et les épontes de granite dans le site de géothermie (Roche Chaude Fracturée) de Soultz-sous-Forêts, dont la pérennité dépend des éventuels changements de morphologie du réseau poreux lié à la fracturation. On constate expérimentalement que les feldspaths et les smectites forment l'ensemble du volume des silicates qui risquent le plus de précipiter, en plus des carbonates déjà décrits dans des études antécédentes et dont nous nous sommes affranchis dans cette étude.

Cette thèse s'est intéressée à l'étude du rôle de la tectonique et du climat sur l'évolution d'une rivière (Pilcomayo) située en Bolivie. Pour y parvenir, nous avons développé un modèle numérique appelé COBASE qui permet de simuler sur de grandes échelles de temps et d'espace la dynamique fluviale de la rivière en intégrant le transport des sédiments dans la rivière et sur les versants du bassin. Le transport le long des versant est simulée par une loi de diffusion, avec un seuil de transport sur le versant fourni par un taux d'érodabilité des sols, le transport fluviatile est simulé par loi type d'Einstein, en supposant un écoulement permanent uniforme et une largeur de la rivière déduite d'une loi géomorphologique empirique. Nous avons pu montrer que : Du point vue général, notre modèle prédit des phases transitoires durant lesquelles le relief s'érode mais où le système fluviatile n'évacue qu'une partie des sédiments. Cette propriété est évidemment vérifiée pour des valeurs des paramètres caractéristiques d'une érosion limitée par le transport, mais peut également l'être vrai pour des valeurs des paramètres caractéristiques d'une érosion limitée par l'érodabilité. Du point de vue régional, dans la partie amont de la Pilcomayo, la tectonique ne contrôle pas l'évolution de la rivière, bien qu'elle puisse influencer localement de façon qualitative et quantitative le remplissage sédimentaire. Le climat influe sur l'évolution du bassin versant. Il contrôle, en effet, l'incision et la nature des éléments qui se déposent dans la rivière. Aussi les variations du climat influencent fortement les phases d'aggradation ou d'incision dans le cours de la rivière principale. Les enseignements tirés de cette modélisation nous ont permis de proposer une corrélation entre les remplissages sédimentaires observés sur le terrain sur la rivière Pilcomayo et les variations climatiques régionales à l'échelle de l'Holocène: les phases humides de longues durées (plus de 5 000 ans) induisent de fortes incisions, les phases sèches induisent des phases d'aggradation, tandis que des alternances rapides de périodes sèches ou humides on une signature plus complexe.

L'objectif de cette thèse est, l'étude fine des effets d'amplification suite à la géologie locale, notamment dans des bassins sédimentaires, ainsi que l'évaluation des avantages et Iimites des méthodes d'estimations. La partie expérimentale est basée sur des données acquises au site test EURO-SEISTEST, le premier site-test en Europe occidentale proche de Thessalonique (Grèce). Après une évaluation des effets d'amplification au site même et une étude de leur stabilité en fonction de plusieurs paramètres, les estimations obtenues par cinq méthodes différentes (la méthode des rapports spectraux classique, la méthode des fonctions récepteurs, une inversion généralisée, une méthode de la Coda et la méthode de Nakamura) sont comparées entre elles. Les avantages et limites de chaque méthode sont évaluées. Les résultats sont dans la suite confrontés et comparés avec des modélisations uni - et bidimensionnelles. La variabilité spatiale à travers la vallée examinée est étudiée par la cohérence spatiale. La grande couverture spatiale par des stations installées au site a permis de séparer deux zones d'un comportement différent de la cohérence entre deux signaux dépendant de la distance qui les sépare. Ceci n'a jamais été remarqué dans des études précédents à cause d 'une couverture spatiale trop faible. Finalement, l'étude paramétrique des effets d'amplifications dans un milieu hétérogène en trois dimensions montre que l'effet géométrique est important et peut provoquer des amplifications significatives. La réponse d'un milieu plus complexe n'est difficilement à prévoir, dépend de l 'azimut de l'onde incidente et montre des amplifications importantes en présence d'un forte contraste d'impedence présent.

L'objectif de ce travail est une conlribution à l'analyse des processus de formation des crues sur un bassin méditerranéen à l'occasion des épisodes pluvieux. Nous avons essayé de comprendre les caractéristiques hydrologiques d'un bassin par une démarche mécaniste. Pour cela, nous avons étudié la part, dans le débit de la rivière pendant les crues, du débit provenant d'un écou!ement soit par ruissellement généralisé, soit souterrain ou de subsurface, soit sur zones saturées contributives. Le bassin versant a été schématisé comme la succession de deux unités hydrologiques: le versant et le réseau hydrographique. Ainsi, la première partie de ce mémoire est consacrée à l'analyse mécaniste des apports à la riuvière à l'échelle du versant. Pour chaque processus, une étude expérimentale a été menée afin d'étudier les lois qui régissent ces écoulement. Nous avons montré. que les écoulements en surface ne suivent pas une loi d'écoulement plan turbulent Les écoulements en litière, immédiatement sous la surface du sol, suivent une loi de Manning. Enfin, les écoulements de subsurface suivent une lol de Darcy. A l'échelle du versant, la modélisation des écoulements avec les lois mesurées ne les entretient jamais assez longtemps pour expliquer les hydrogrammes de bassin. La seconde partie de ce mémoire consiste en une modélisation à l'échelle du bassin des écoulements dans le cas des trois processus de formation des crues. Cette modélisation a cherché à reproduire les hydrogrammes du bassin. On montre que lorsque le bassin est sec, les écoulements proviennent principalement du ruissellement généralisé. Lorsque le bassin est plus humide, les pluies mettent d'abord en activité des écoulements souterrains et de subsurface, puis si les pluies sont importantes, le mécanisme d'écoulement sur surfaces saturées contributives devient prépondérant

La matrice des composites thermostructuraux est obtenue par infiltration chimique en phase vapeur : une préforme placée dans un four est pénétrée par des gaz précurseur qui vont déclencher la formation matricielle par réaction hétérogène. Une modélisation numérique de ce procédé est proposée. Deux programmes furent développés puis validés. Le premier est dédié au calcul des propriétés effectives de la préforme à l'échelle de la fibre tandis que second les exploite propriétés pour accomplir une infiltration macroscopique. Ils s'appuient sur des algorithmes de marche aléatoire et requièrent des images 3D de la préforme. Dans cette optique, plusieurs tomographies de préformes ont été acquises aux deux échelles d'intérêt. Par cette méthode, l'étude des prévisions de densification de composites SiC/SiC a permis de comparer leur infiltrabilité. De plus, l'outil développé, combiné à un modèle chimique, simule l'infiltration de composites C/C et anticipe la microtexture de la matrice déposée.

Ce travail propose tout d'abord une synthèse des principales méthodes sans maillage (i.e. meshfree) existant actuellement (DEM, EFGM, h-p Clouds, SPH, RKPM, RKI, MLS/RK, PIM, RPIM, MLS/RBF, etc.), en fournissant une écriture commune à toutes les méthodes et en mettant ainsi directement en évidence les spécificités de chacune vis-à-vis de la construction des fonctions de forme. Plusieurs techniques spécifiques à la mise en œuvre numérique des méthodes meshfree sont également présentées et discutées. Les performances des différentes méthodes et techniques sont enfin comparées pour des tests mécaniques standards. Ce travail présente par ailleurs le modèle dynamique non linéaire utilisé pour modéliser les milieux poreux saturés en transformations finies, ainsi que les approches classiques pour établir la loi de comportement de la phase solide. Ce modèle est évalué sur diverses applications géomécaniques, en comparant les résultats obtenus pour différentes méthodes avec et sans maillage.