Les séismes de type longue période (LP) sont aujourd’hui enregistrés sur la plupart des volcans dans le monde entier. Malgré cela, le mécanisme à leur source n’est encore que très peu compris. A l’heure actuelle les modèles proposés pour expliquer leur origine sont : 1) la résonance d’une fracture remplie de gaz ou de fluides excités par des instabilités dans l’écoulement des fluides ou par la rupture fragile du magma ; 2) la fracturation lente des sédiments peu consolidés à la surface des volcans, dans des conditions de transition entre le ductile et le fragile. L’outil le plus utilisé pour comprendre leur nature est aujourd’hui l’inversion du tenseur des moments. Au cours des dernières années, les inversions du tenseur des moments se concentraient principalement sur la compréhension du mécanisme physique à l’origine des séismes LP qui souvent supposaient des milieux géologiques très simples, voire homogènes. Des études récentes ont montré l’influence des sédiments peu consolidés à la surface des volcans sur la propagation des ondes à basse fréquence et en conséquence, sur l’inversion du tenseur des moments quand ils ne sont pas pris en compte dans le processus d’inversion. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les processus physiques qui génèrent les séismes LP et de quantifier les incertitudes liées à leur interprétation. / Long-period (LP) seismic events are abundantly recorded during rest and unrest periods at many volcanoes worldwide. However, their source mechanism is still poorly understood. Models which have been proposed so far to explain their origin are: 1) the resonance of a fluid-filled cavity triggered by fluid instabilities or the brittle failure of magma; 2) slow-rupture earthquakes occurring in the low consolidated materials composing the shallow portion of the volcanic edifice. Nowadays the main tool used to get insights into their nature is moment tensor (MT) inversion. MT inversions carried out in the past years focused mainly on the understanding of the physical origin of LP events and often supposed a relative simple geological structure of the medium. Recent studies highlighted the strong influence of shallow unconsolidated materials on the retrieved MT solutions and the importance of considering geological inhomogeneity in the inversion process. The principal aim of this thesis is to gain a better understanding of the source processes that generate LP events and to quantify the uncertainties related to the MT inversion process.

VOLDORAD, un radar Doppler UHF moyenne puissance, est un système portable basé au sol, développé par l'Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (France), spécifiquement pour l'étude de l'activité volcanique explosive. La capacité de ces méthodes de télédétection à sonder l'intérieur des jets et des panaches volcaniques dangereux constitue un vrai pas en avant concernant l'analyse des paramètres physiques qui contrôlent la dynamique des éruptions volcaniques. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des contraintes plus précises, notamment à partir du développement de procédures méthodologiques, sur l'interprétation des données radar Doppler, dans le but final d'améliorer notre compréhension de la dynamique explosive. Ce travail a été réalisé à partir de mesures radar Doppler acquises pendant l'éruption du cratère Sud-Est de l'Etna en Juillet 2001, et s'intéresse plus particulièrement à l'activité Strombolienne. Cependant, les méthodes de traitement, les modèles directs et les procédures d'inversion développés dans cette étude ont été réalisés dans une optique plus générale, et applicable sur différents types de dynamismes. L'étude détaillée de l'activité Strombolienne par la méthode radar Doppler a permis d'obtenir une large gamme de paramètres sources, notamment : les vitesses et masses de gaz et de particules, ainsi que les caractéristiques géométriques des jets. L'estimation quantitative précise de ces paramètres et de leur évolution au cours du temps est cruciale pour (1) la surveillance et la détection précoce de l'activité volcanique, ainsi que (2) pour l'apport de contraintes sur les hypothèses formulées dans les modèles de dynamique éruptive et dans les modèles de prédiction de dispersion des cendres, indispensables à la minimisation des risques.

L'amélioration de la précision et de la justesse des techniques basées sur les isotopes cosmogéniques passe par la mise au point de nouveaux protocoles analytiques, l'affinement des méthodes existantes et la calibration de leurs taux de production. Des tests spécifiques ont ainsi permis d'améliorer la technique standard d'analyse du 3He cosmogénique (3Hec) dans les olivines et les pyroxènes, grâce à l'identification d'une perte de 3Hec lors de l'étape préliminaire de broyage. De même, un nouveau protocole de traitement chimique a été mis au point pour la mesure du 10Bec in situ dans ces minéraux. L'utilisation de ces méthodes affinées sur des phénocristaux naturels conduit à proposer de nouveaux taux de production de 128±5 at.g-1.a-1 pour le 3Hec dans les olivines et de 4.4±0.6 at.g-1.a-1 pour le 10Bec dans les clinopyroxènes. Ces valeurs sont obtenues par calibration sur des coulées basaltiques du Mt Etna (Sicile, 38°N), du Mauna Loa et du Mauna Kea (Hawaii, 19°N) qui ont été datées par K-Ar ou 14C entre 1.47±0.05 et 149±23 ka. La fiabilité de la méthode de datation par 3Hec a été mise à profit pour établir avec précision la chronologie du dernier retrait glaciaire du Mauna Kea (Hawaii). L'âge du dernier maximum glaciaire (DMG) local a été contraint entre 19 et 16 ka. Ces datations ont de plus été valorisées par simulation numérique des conditions paléoclimatiques. Il a ainsi été établi que le refroidissement en haute altitude (> 3000 m) du Pacifique Central était de l'ordre de 7±1°C au DMG. Le réchauffement post glaciaire n'a été significatif qu'à partir de ~15 ka, ce résultat confirmant le comportement isolé de cette zone par rapport au reste du Pacifique. Enfin, il a été montré que les objets géologiques ayant enregistrés des expositions anciennes (ou fossiles) ont le potentiel pour quantifier des paramètres aussi variés que la mesure de paléoaltitudes, de paléo-taux d'érosion ou la vitesse d'émission des grandes provinces volcaniques. Les incertitudes et les limites de ces nouvelles méthodes ont été à la fois évaluées par simulation numérique et testées sur des objets géologiques.

Les taux de production du nucléide cosmogénique 36Cl par spallation du Ca et du K (SLHL) proposés actuellement dans la littérature montrent des divergences allant jusqu'à 50% (Gosse and Phillips, 2001). Nous avons pu montrer que des fortes teneurs en Cl dans les roches utilisées pour les calibrations précédentes entraînent une surestimation de ces taux de production, lié à la production de 36Cl à partir du 35Cl qui est peu contrainte. Nous avons entrepris une nouvelle calibration à partir de laves datées indépendamment entre 0.4 et 32 ka situées au Mt. Etna (38°N, Italie) et au Payun Matru (36°S, Argentine). Le 36Cl a été mesuré dans des feldspaths riches en Ca et en K, mais faibles en Cl. A partir d'une approche bayesienne incluant toutes les incertitudes, les taux de production obtenus sont de 42.2 ± 4.8 atomes 36Cl (g Ca)-1 an-1 pour la spallation du Ca et de 124.9 ± 8.1 atomes 36Cl (g K)-1 an-1 pour la spallation du K, avec les facteurs d'échelle calculés selon Stone (2000). Quatre autres modèles de facteurs d'échelle sont également proposés avec des résultats très semblables. Ces nouveaux taux de production sont en accord avec les valeurs précédemment obtenues par d'autres auteurs avec des échantillons faibles en Cl. Finalement, les concentrations en 36Cl, 3He et 21Ne ont été mesurées dans des pyroxènes prélevés entre 1000 et 4300 m dans des laves du Kilimandjaro (3°S). Les rapports entre ces nucléides ne montrent pas de dépendance altitudinale, ce qui suggère que les taux de production ne varient pas d'un nucléide à l'autre avec l'altitude.