Cette thèse porte sur le rôle des précipitations sur l'érosion et la formation des reliefs dans l'Himalaya Népalais. J'étudie chaque étape du processus d'érosion : 1) Evaluation des bases de données de précipitations, 2) Transfert des précipitations au débit fluvial, 3) Mobilisation et transport du matériel dans le bassin versant, et enfin 4) Mécanismes d'érosion sur de longues échelles de temps. Je montre que la base de données de précipitations obtenue par interpolation de données pluviométriques est la plus performante pour la région de l'Himalaya. Je démontre l'importance d'une composante majeure, jusqu'alors ignorée, du cycle de débit de l'Himalaya que j'identifie comme étant les aquifères de sous-sol fracturé, et j'évalue la contribution de la fonte des neiges et glaces aux rivières Himalayennes. Les taux d'érosion calculés à partir des flux de sédiments en suspension et des analyses de nucléides cosmogéniques varient de 0.1 à 4 mm/a. Les rivières au Népal sont limitées par l'apport sédimentaire alors que les versants, en tant que source de sédiments, sont limités par le transport. Enfin, je montre que l'érosion sur des milliers d'années ne dépend des précipitations mais du relief.

La richesse en Th et en U de la monazite en fait un excellent géochronomètre pour dater les roches magmatiques et métamorphiques de la croûte terrestre. Peu sensible à la diffusion du Pb dans sa structure cristalline, elle peut enregistrer des évènements géologiques de haute température sans risque de remise à zéro de son géochronomètre. Réservoir principal des actinides et des lanthanides, elle participe à de nombreuses réactions minéralogiques, faisant aussi d'elle un très bon traceur pétrogénétique. Coupler sa chimie à son isotopie permet donc d'interpréter précisément la nature des processus géologiques dont elle enregistre l'âge. L'étude de trois objets géologiques distincts a permis de montrer que la monazite est très sensible aux interactions avec les fluides. Ils vont induire sa dissolution partielle ou totale, suivie de la recristallisation de nouveaux grains. De multiples paramètres vont influencer son comportement face au fluide. Ainsi, à basse température (350°C - 450°C) dans un microgranite, un fluide riche en fluor et carbonates va favoriser la dissolution-précipitation de la monazite, alors qu'un fluide riche en éléments alcalins n'aura aucun effet sur elle. Par contre, à plus haute température (> 600°C) dans des roches métapélitiques, ce même fluide va induire sa dissolution-précipitation. En fonction de la mobilité du Pb, du Th et de l'U, le mécanisme de dissolution-précipitation peut avoir différents impacts sur le géochronomètre : ainsi, l'âge des grains recristallisés peut soit correspondre à l'âge du grain initial, soit dater l'interaction avec le fluide, soit n'avoir aucune signification géologique. Les systèmes isotopiques U-Pb et Th-Pb peuvent également être affectés par l'incorporation de Pb commun dans la monazite lors de sa cristallisation (jusqu'à plusieurs centaines de ppm), ce qui va artificiellement vieillir les âges enregistrés. L'ensemble de ces observations montre que l'âge enregistré par la monazite s'interprète au cas par cas. Dans l'avenir, l'optimisation de l'utilisation de la monazite comme géochronomètre doit passer par (1) une amélioration des techniques d'analyses (augmentation de la résolution spatiale pour résoudre des problèmes géologiques à l'échelle nanométrique, standardisation avec des monazites homogènes) et (2) un couplage de différents types d'analyses (chimie, datation, isotopes de l'oxygène). Ceci devrait permettre d'interpréter aux mieux les âges qu'elle enregistre.

Dans cette thèse, nous étudions le problème de la localisation de sources sismo-volcanique, à partir des données enregistrées par des réseaux de capteurs composés de nouveaux sismomètres à trois composantes (3C). Nous nous concentrerons sur le volcan Ubinas, l'un des plus actifs au Pérou. Nous développons une nouvelle approche (MUSIC-3C) basée sur la méthode MUSIC permetant de retourner les 3 paramètres utiles (lenteur, azimut et incidence). Pour valider notre méthodologie, nous analysons des sources synthétiques propagées en tenant compte de la topographie du volcan Ubinas. Dans cette expérience, les données synthétiques ont été générées pour plusieurs sources situées à différentes profondeurs sous le cratère Ubinas. Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour les relocaliser. Nous traitons également des données réelles provenant d'une expérience de terrain menée sur le volcan Ubinas (Pérou) en 2009 par les équipes de recherche de l'IRD-France (Institut de Recherche pour le Déveleppment), UCD l'Irlande (projet VOLUME) et l'Institut de Géophysique du Pérou (IGP). Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour localiser les événements explosifs (type vulcanien), ce qui nous permet d'identifier et d'analyser les processus physiques de ces événements, à la suite de cette analyse, nous avons trouvé deux sources pour chaque explosion situées à 300 m et 1100 m en dessous du fond du cratère actif. Basé sur les mécanismes éruptifs proposés pour d'autres volcans du même type, nous interprétons la position de ces sources ainsi que les limites du conduit éruptif impliqué dans le processus de fragmentation.

La préparation d'interventions de maintenance dans les installations industrielles a dorénavant recours à des outils d'étude, de modélisation et de simulation basés sur l'exploitation de modèles virtuels 3D des installations. L'acquisition de ces modèles tridimensionnels s'effectue à partir de nuages de points mesurés, depuis plusieurs points de vue, par balayage angulaire horizontal et vertical d'un faisceau laser par scanner laser terrestre. L'expression dans un repère commun de l'ensemble des données acquises est appelée consolidation, au cours de laquelle les paramètres de changement de repères entre les stations sont calculés. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la méthode d'acquisition de données laser en environnements industriels. Celle-ci doit, au final, garantir la précision et l'exactitude nécessaires des données tout en optimisant le temps et les protocoles d'acquisition sur site, en libérant l'opérateur d'un certain nombre de contraintes inhérentes au relevé topographique classique. Nous examinons, dans un premier temps, l'état de l'art des moyens et méthodes mis en œuvre lors de l'acquisition de nuages de points denses de scènes d'intérieurs complexes (Partie I). Dans un deuxième temps, nous étudions et évaluons les données utilisables pour la consolidation: données laser terrestres, algorithmes de reconstruction de primitives et systèmes de géolocalisation d'intérieur (Partie II). Dans une troisième partie, nous formalisons et expérimentons ensuite un algorithme de recalage basé sur l'utilisation de primitives appariées, reconstruites dans les nuages de points (Partie~III). Nous proposons finalement une approche probabiliste de l'appariement de primitives permettant l'intégration des informations et incertitudes a priori dans le système de contraintes utilisé pour le calcul des poses (Partie IV).

L'ion nitrate (NO3-) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l'oxydation des oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) dans l'atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et Dôme C sur le plateau de l'Est de l'Antarctique, le nitrate n'est pas piégé de manière ultime dans la neige, ce qui limite fortement l'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace. Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (δ15N) montrent des valeurs extrêmement élevées (+339‰) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède, par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (Δ17O) qui permet de tracer l'activité de l'ozone (O3) au cours de sa formation. Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du nitrate (δ15N, Δ17O et δ18O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64 échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313 échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l'essentiel de l'Est de l'Antarctique. L'analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l'interface entre l'atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé. Les valeurs positives et élevées du δ15N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l'aide du modèle TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de Δ17O du nitrate montrent que l'incursion d'ozone d'origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre de mieux contraindre le cycle de l'azote sur la côte Antarctique et d'apporter des éléments d'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de neige (au Groenland par exemple).

L'objectif de cette thèse est d'estimer la capacité du bore et de ses isotopes à évaluer les mécanismes et bilans de l'altération des minéraux dans les sols. Pour ce faire, trois axes ont été développés : 1) une approche expérimentale, durant laquelle un minéral-test (la biotite) est soumis à l'action de différents agents altérants représentatifs de ceux trouvés dans les sols. 2) une approche in-situ dans un sol forestier acide, menée sur des minéraux séparés (biotite, muscovite,feldspath potassique et albite), au cours de leur altération à différentes profondeurs (site de Breuil-Chenue, France). L'objectif de cette étude est de déterminer la sensibilité du bore aux processus de la formation des sols. 3) une seconde approche in-situ sur le même site expérimental, menée cette fois-ci sur les horizons superficiels (horizon A et horizon d'accumulation des oxy-hydroxydes d'aluminium), dont le but est de déterminer la sensibilité du bore et de ses isotopes aux processus liés à la proximité de la végétation (variations saisonnières, proximité des racines). Le bore permet, grâce à sa très grande réactivité durant les mécanismes d'altération par rapport aux éléments majeurs constitutifs du réseau cristallin (observable aussi bien en conditions expérimentales qu'en milieu naturel), de tracer avec une grande sensibilité les mécanismes de dissolution ou de transformation des différents minéraux primaires, et ouvre de nouvelles perspectives quant à la compréhension et la modélisation des sols.

La mousson africaine est un phénomène météorologique saisonnier apportant jusqu'à 90% des précipitations annuelles sur l'Afrique de l'Ouest. Du fait d'une diminution observée de l'intensité de ce phénomène, une campagne internationale multidisciplinaire d'analyse de la mousson africaine a été mise en place, avec comme point culminant, une période d'observations intensives durant l'été 2006. Les éléments constitutifs de la mousson apportant le plus de précipitations étant les lignes de grains, nous nous sommes intéressés à l'étude des bilans d'eau et d'énergie de ces systèmes convectifs. Ce travail consiste en une étude du cas de ligne de grains du 27-29 juillet 2006, effectuée via la modélisation mésoéchelle permise par le modèle Méso-NH (Météo-France/CNRS). Il a permis de documenter l'environnement de cette ligne de grains et son impact énergétique et hydrique. Les tests de sensibilités effectués montrent la forte sensibilité des champs simulés et des bilans à la configuration et aux champs initiaux du modèle.

Le système de failles de Haiyuan qui borde le plateau du Tibet au Nord-Est est un système majeur sénestre. Au cours du dernier siècle, deux grands séismes (M~8) ont rompu ce système de failles: le séisme de Haiyuan en 1920 et le séisme de Gulang en 1927. A l'aide d'interférométrie radar à synthèse d'ouverture, nous analysons les variations spatiales et temporelles de la déformation intersismique au travers de la faille de Haiyuan, dans une zone étendue (150x150 km2) qui couvre l'extrémité Ouest de la rupture de 1920 et la lacune sismique de Tianzhu. Avec une approche dite en Small Baseline, nous traitons cinq séries temporelles d'images SAR, acquises par le satellite Envisat le long de tracks descendantes et ascendantes pendant la période allant de 2003 à 2009. Les cartes de vitesse moyenne de déformation dans la ligne de visée du satellite ainsi obtenues sont cohérentes avec un mouvement sénestre au travers de la faille et montrent des variations latérales du gradient de vitesse dans la zone de faille. Nous inversons ces cartes de vitesse moyenne en LOS pour obtenir le taux de chargement à court terme en profondeur et la distribution du glissement dans la partie sismogène le long du plan de faille. Le taux de chargement en profondeur est d'environ 5mm/an. Les sections de faille ayant rompu en 1920 et une grande partie de la lacune sismique de Tianzhu sont bloquées en surface. Entre ces deux sections, un segment de 35 km de long, qui montre une forte activité micro-sismique, glisse de manière asismique avec un taux de glissement horizontal qui atteint presque 5 mm/an. Cependant, le taux de glissement asismique le long de la partie sismogène varie le long du plan de faille et atteint localement des taux supérieurs au chargement tectonique, suggérant des variations temporelles du glissement asismique. La comparaison de profils moyens de vitesse parallèle à la faille issus de données InSAR sur les périodes 1993-1998 (données ERS) et 2003-2009 suggèrent une migration vers la surface du glissement asismique sur une période de 20~ans. Une analyse en séries temporelles des données Envisat, en appliquant un lissage temporel, montrent une accélération du taux de glissement asismique pendant l'année 2007. Cette accélération est précédée et a probablement été déclenchée par un séisme de magnitude 4.7 au sein même du glissement asismique. Enfin, nous étudions la relation entre l'évolution spatio-temporelle du glissement asismique en surface et la rugosité de la trace de la faille à l'aide d'une analyse multi-échelle. Nous montrons que les propriétés élastiques de la croûte cassante contrôlent la rugosité de la faille, qui exerce à son tour un contrôle sur la distribution de glissement asismique en surface. Le glissement asismique est fait de spasmes qui interagissent les uns avec les autres en suivant une loi d'échelle similaire à la loi de Gutenberg-Richter pour les séismes.

Les overshoots convectifs sont des phénomènes connus depuis longtemps au-dessus des continents tropicaux. Ils sont soupçonnés d'être une source majeure dans la basse stratosphère des espèces à courte durée de vie de la troposphère, de l'humidification par injection de cristaux de glace, et de NOx formés par la foudre. Cependant les mesures dans ces systèmes convectifs n'est pas une tâche facile. Le mini-SAOZ est un spectromètre UV-Visible développé au LATMOS depuis 2009 avec une technologie avancée. Il est conçu pour les mesures des profils atmosphériques des espèces chimiques mineures (O3, H2O, NO2, O2, O4, BrO, OClO, CH2O) par occultation solaire. Ses nouvelles performances et son faible poids permettent de l'intégrer sous de petits ballons pour étudier la convection tropicale. Deux vols d'essai ont été réalisés à Kiruna en 2010 et 2011 avec le soutien du CNES. Les résultats de l'analyse spectrale et les différents problèmes rencontrés lors de ces vols ont permis de nettes améliorations de la sonde afin qu'elle soit qualifiée pour les vols suivants aux tropiques. Deux vols du mini-SAOZ ont été opérés au cours de la campagne TRO-pico, en 2012, dont l'objectif était de mieux comprendre l'impact de la convection tropicale sur la composition chimique stratosphérique. Les comparaisons avec d'autres instruments valident les performances du mini-SAOZ. Cependant, les mesures obtenues au cours de cette thèse n'ont pas encore permis de montrer avec certitude les mécanismes liés à la convection tropicale.

Sur les bassins versants des Terres Noires, les sédiments marneux sont dégradés très rapidement. Les matériaux fins ainsi produits peuvent être à l'origine d'épisodes de crues très concentrées (800~g/L). La première partie de cette thèse traite des processus responsables de la production de sédiments fins. Ces processus adviennent à deux échelles de temps : A long-terme, entre les périodes de crues, les matériaux du lit exposés aux intempéries sont altérés sous l'effet de cycles gel/dégel et humectation/dessication. Pour quantifier cette vitesse d'altération, les données climatiques de Draix sont combinées à des expériences sur la sensibilité des marnes aux alternances de température et d'humidité. A court-terme, pendant les crues, les matériaux charriés sont soumis à l'abrasion et à la fragmentation sous l'effet de sollicitations mécaniques. Des expériences en canal circulaire permettent de quantifier la dégradation pendant les crues. On montre finalement qu'il est indispensable de considérer ces deux échelles de temps pour rendre compte de la vitesse de dégradation totale observée dans les lits. Pour étudier plus en détail la dégradation mécanique pendant les crues, on investigue l'effet de la fragmentation et de l'abrasion à l'échelle d'un caillou par l'intermédiaire de simulations numériques avec la méthode des éléments discrets et d'expériences de fragmentation. Les propriétés de rupture de la marne ainsi obtenues sont ensuite intégrées dans une modélisation de l'évolution d'une distribution granulométrique sous l'effet de la fragmentation et de l'abrasion. Les résultats indiquent que la fragmentation et l'abrasion sont également importantes mais que l'efficacité de la fragmentation décroît au cours de la sollicitation. Dans une seconde partie, on étudie le comportement d'une suspension de sédiments fins de marnes, et l'influence de la concentration sur son écoulement. Cette étude est basée sur des mesures de rhéométrie et sur des expériences d'écoulement en laboratoire pour différentes configurations de pente, débit, rugosité, concentration. Les expériences mettent en évidence une transition vers un comportement non-newtonien à forte concentration (au-delà de 600 g/L). Ceci se traduit notamment par un ralentissement de l'écoulement associé à l'apparition d'une zone de "plug" non-cisaillée L'écoulement devient alors laminaire et le frottement augmente fortement. Ce changement de comportement sur le terrain peut être une source d'erreurs non négligeable dans l'estimation des débits lors des crues chargées.