Le présent travail à caractère théorique et numérique étudie le comportement mécanique des interfaces sol granulaire-structure ainsi que son application aux pieux isolés sous chargement statique. A partir du modèle de comportement élastoplastique d'interface bidimensionnel "MEPI 2D", un modèle tridimensionnel dit "MEPI 3D" est développé afin de mettre en évidence l'effet des contraintes de confinement tridimensionnelles régnant à l'interface au cours du cisaillement. Ces modèles considèrent un écrouissage déviatorique, prennent en compte l'état caractéristique (notion de contractance-dilatance) et intègrent l'état critique aux grands déplacements tangentiels. Les prévisions du comportement de l'interface à l'aide de MEPI 3D sont satisfaisantes. Parallèlement à cette contribution rhéologique, une méthodologie générale de modélisation numérique par éléments finis d'un essai de chargement de pieu est proposée. Les modèles MEPI 2D et MEPI 3D sont implantés dans le code de calcul aux éléments finis CESAR-LCPC. L'analyse numérique par CESAR-LCPC d'un pieu modèle en chambre d'étalonnage (Cermes, type 1), de pieux modèles sur site réel (Imperial College Pile, type 2) et d'un pieu en vraie grandeur (caisson du LCPC, type 3) est menée considérant les modélisations axisymétriques (MEPI 2D, MEPI 3D) et tridimensionnelles (MEPI 3D). En comparant les prévisions numériques aux données expérimentales, il est montré que le comportement des pieux est correctement reproduit. Par ailleurs, la comparaison de l'influence des modèles MEPI 2D et MEPI 3D est abordée.

Dans les études sur le devenir et les impacts de pollutions métalliques dans les sols l'influence de leur usage est encore mal connue. Cette influence a été examinée ici à travers une étude détaillée de comportements de trois métaux polluants, présentant des mobilités différentes: Zn, Cd, et Pb. Cette étude a été menée à la fois dans des horizons de surface d'une petite région affectée par des retombées de poussières métallifères émises par l'industrie métallurgique, ainsi que dans un site comportant deux sols agricoles gérés de manière contrastée. Il s'agit d'un sol sous prairie permanente (PP) et un sol cultivé (CA), situés à une même distance de la source d'émission et développés dans des conditions pédogenétiques semblables. L'objectif principal de ce travail était de quantifier les parts endogènes et exogènes des ETM dans les sols, leurs distributions dans les horizons et dans les compartiments pédologiques (microstructures, agrégats, constituants) et d'identifier les principaux vecteurs d'incorporation. Cette étude a fait appel à des analyses de teneurs totales en éléments (C. organique, Fe, Zn, Pb, Cd,) des études macro- et micromorphologiques, des extractions cinétiques à l'EDTA et des études de la composition isotopique. Un deuxième objectif était de hiérarchiser le rôle des paramètres révélateurs de l'usage des sols sur la distribution et la mobilité des ETM. Ce travail montre que, 40 ans après l'arrêt de l'activité industrielle, la distribution actuelle des teneurs en métaux dans les horizons de surface ne reflète pas celle de retombées atmosphériques attendus selon un modèle simple de distribution en fonction de la distance à la source et des vents dominants. Les teneurs en Zn, Pb et Cd dans les premier 30 cm des sols varient selon l'usage des sols et notamment en fonction du pH, du potentiel redox, de la texture ou encore de l'activité biologique. Ainsi, les horizons de surface de sols acides en forêt auraient perdu plus de 80% du Zn retombé, contre environ 60% de l'horizon A d'un sol sous prairie permanente, suite à la bioturbation lombricienne, et "seulement " 40% pour l'horizon L d'un sol cultivé. Une typologie de secteurs de la zone impactée, pertinente par rapport à la migration de polluants a été proposée à partir de cartographies des rapports Zn/Pb et Cd/Pb. A l'échelle du solum et des horizons, un siècle de pratiques agricoles distinctes a conduit à des phénoformes différents. En particulier, l'activité biologique différente dans les sols PP et CA a modifié le cycle bio-géochimique des métaux et induit des différences dans leurs distributions et mobilité. Les 2 sols présentent en effet des profils de teneurs totales en Zn, Pb et Cd contrastés, avec une rétention de la majeure partie des métaux exogènes dans l'horizon labouré en CA (entre 53% pour Zn et 92% pour Pb et Cd) et une incorporation nettement plus importante dans PP (40% du Zn seulement, 73% du Cd et 82% du Pb exogène sont aujourd'hui présent dans les 26 premiers cm). L'incorporation est significative jusqu'à 80 cm de profondeur sous prairie. A l'échelle des agrégats, l'activité biologique en PP conduit à l'occurrence de trois types de fractions impliquées dans la dynamique des métaux (agrégats de 50-100 μm, 2-20μm, et fraction <2μm), alors que pour CA, seules les fractions 2-20μm et <2μm semblent prioritairement impliquées dans leur rétention et extractabilité. L'analyse de la composition isotopique du Pb sur des échantillons de sol et des extraits EDTA, est un outil performant pour détailler la nature et l'incorporation du Pb exogène. Par cette technique analytique le Plomb exogène sous prairie se retrouve jusqu'à la base du profil et jusqu'à 60cm de profondeur dans le sol sous culture. Cette approche a permis de valider l'ensemble des résultats obtenus à partir des teneurs totales en métaux. Elle souligne la nécessité d'une prise en compte des paramètres pédologiques afin de garantir la représentativité des échantillons étudiés et autoriser une évaluation plus pertinente des risques environnementaux qu'à partir des seules teneurs totales en métaux.

Ce doctorat s'intègre dans la phase 2 du programme OPUR (Observatoire des Polluants urbains) et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'introduction et le transfert à différentes échelles spatiales des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques dans le réseau d'assainissement unitaire parisien. Une partie des travaux est consacrée à l'étude des Voies d'Introduction des hydrocarbures dans le Réseau d'Assainissement (VIRA) par temps sec et par temps de pluie. Ce travail s'attache aussi à mieux cerner l'évolution spatiale de la pollution en hydrocarbures entre l'amont et l'aval d'un grand bassin versant. Quelle que soit la taille des bassins versants considérés (de 42 à 2 581 ha), ces travaux soulignent une relative homogénéité des caractéristiques et des processus de transfert de ces polluants par temps sec et par temps de pluie.

L'ablation laser Infra Rouge femtoseconde couplée à la spectrométrie de masse est un puissant outil d'analyse in-situ d'échantillons géologiques. Cependant, les impacts liés à ce type d'ablation sont encore mal définis. La Microscopie Electronique en Transmission (MET) couplée à l'abrasion par faisceau d'ions focalisés (FIB) permet la caractérisation directe des dommages d'ablation et des particules. Ainsi, l'ablation laser IR-femtoseconde peut être considérée comme stœchiométrique et essentiellement photo-mécanique. Les particules sont issues de coalescence et d'agglomération de condensats dans le plasma de matière. La ségrégation chimique des éléments visible à la mesure est donc restreinte à ces processus dépendant de la composition de la cible. Le potentiel d'amélioration des mesures est conséquent, en termes de paramétrages et de conception de systèmes laser dédiés au LA-ICP-MS.

Cette these rentre dans le cadre du projet d'European Extremely Large Telescope (E-ELT) pour la caracterisation des sites. L'un des facteurs tres important est la turbulence atmospherique. Car c'est elle qui limite la resolution angulaire a toutes les longueurs d'onde. L'installation d'un grand telescope avec tous ses systemes complexes de correction de front d'onde par optique adaptative n ecessite une etude elaboree de l'atmosphere au-dessus du site. Plusieurs techniques permettent de mesurer les differents parametres integraux et les profils verticaux de la turbulence optique. Dans ce contexte j'ai analyse les differentes techniques de profilage atmospherique appliquees a deux sites astronomiques : La Silla le site de l'ESO au Chili et egalement le site Antarctique du Dome C, qui depuis quelques annees interesse beaucoup les astronomes. <br />L'etude de Dome C met en evidence des conditions tres particulieres (s echeresse, froid, peu de vent) qui permettent d'envisager, meme de jour, certaines observations stellaires dans des fenetres spectrales de l'infrarouge thermique qui sont inaccessibles partout ailleurs sur Terre. Pendant l'ete austral le seeing moyen est meilleur que dans les autres sites connus. Pendant l'hiver il est degrade par la presence de la couche limite qui contient parfois jusqu'a 90% de la turbulence atmospherique dans la premiere trentaine de metres. Ceci est confirme par les mesures in situ et les resultats de re-analyses. Pour la suite, il est tres important de connaitre la distribution verticale de la turbulence qu'on obtient grace aux differentes techniques de profilage atmospherique par les mesures et par la modelisation. C'est pourquoi ici, on procede a la validation comparative du modele meteorologique europeen ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts) pour Dome C qui pourra fournir les parametres d'entree pour les divers modeles de turbulence qui de leur cote permettront d'obtenir la distribution verticale de Cn2(h) et par la suite la prevision du seeing a court et long terme.<br />Dans le cadre general de la recherche des meilleurs sites pour le futur telescope europeen E-ELT, une campagne de mesures a ete effectuee en 2002/2003 a l'observatoire de La Silla de l'ESO au Chili au moyen d'un profileur a etoile double - le SCIDAR Generalise. On a obtenu, apres 5 mois d'observation, la statistique pour le seeing, l'angle isoplanetique, le temps de coherence et les profils verticaux de Cn2(h) et V(h). Ceci a permis de decouvrir plusieurs particularites importantes de ce site astronomique. Les valeurs du seeing ont ete comparees a celles mesurees par l'instrument DIMM. Les resultats de cette campagne sont tres importants pour decrire la situation turbulente au-dessus de ce site et ils sont egalement n ecessaires pour proceder a la simulation des systemes d'optique adaptative afin de determiner les limites observationnelles des futurs grands telescopes et specialement pour l'optique adaptative.

La connaissance des structures internes de la Terre, à différentes échelles, présente des enjeux majeurs d'ordres économiques, humains, environnementaux et scientifiques. Diverses méthodes d'imagerie ont été développées en utilisant les informations contenues dans les ondes sismiques. La méthode d'inversion des formes d'ondes construit des images quantitative haute résolution des paramètres physiques du sous-sol, en exploitant le champ d'onde complet, sous la forme d'un problème d'optimisation. Dans ce travail de thèse, je présente l'application de l'inversion des formes d'ondes en domaine fréquentiel, pour imager les paramètres visco-élastiques dans des géometries à deux dimensions à grands offsets. Dans un premier temps les développements méthodologiques et algorithmiques sont présentés. La modélisation de la propagation des ondes P-SV en domaine fréquentiel, le problème direct du processus d'imagerie, est assurée par une méthode d'éléments finis Galerkin discontinus, assurant une grande flexibilité dans le choix des ordres d'interpolation et dans l'utilisation de maillages triangulaires non-structurés. Le problème inverse est résolu sous une forme linéarisée, afin de limiter le nombre de simulations directes, et utilise l'algorithme quasi-Newton L-BFGS permettant de tirer bénéfice de l'estimation "économique" du Hessien. Le processus global d'imagerie est implémenté sous la forme d'un algorithme massivement parallèle destiné aux calculateurs modernes à mémoire distribuée. Dans un deuxième temps, les algorithmes développés sont appliqués à des cas d'étude. Des applications sont menées dans des modèles synthétiques réalistes représentatifs d'environnements terrestres et marins. Ces études montrent les difficultés associées à la reconstruction des paramètres élastiques à partir de données mettant en jeu des phénomènes de propagations complexes (ondes converties, multiples, ondes de surfaces...). Des solutions sont proposées sous forme de processus hiérarchiques multi-échelles, afin de limiter les effets des non-linéarités du problème inverse et ainsi d'améliorer la convergence du processus vers le minimum global. Enfin, la sensibilité de différentes normes et critères de minimisation est analysée, à partir de données bruités issues de modèles synthétiques réalistes, ainsi que sous l'approximation acoustique pour un jeu de données réelles pétrolière. Ces tests montrent certaines limites du formalisme classique basé sur la norme L2 dans l'espace des données, tandis que la norme L1 apparaît comme alternative robuste pour l'inversion de données décimées en domaine fréquentiel.

Les objets d'étude abordés ont ce point commun qu'ils peuvent tous être identifiés dans le géosystème. Ces objets « naturels » se trouvent à différentes strates du système Terre et sont liés entre eux par des flux de matières et d'énergie. Il s'agit par exemple des aquifères souterrains, des cours d'eau ou encore de la végétation. Ces objets ont également des échelles spatiales très variées qui vont de l'espace interstitiel (le micromètre) au bassin versant (la centaine de kilomètres). Enfin, les échelles temporelles des processus mis en oeuvre à leur formation ou aux flux qui les relient sont aussi très étendues puisqu'elles vont de quelques minutes (un traçage dans une colonne de laboratoire) à quelques millions d'années (la formation de modelés par érosion).<br />L'organisation de ce travail est concentrique avec au coeur, un élément fédérateur : la modélisation. Dans un premier temps, les équations et/ou théories abordées dans ces travaux sont décrites afin de montrer les différents champs disciplinaires et de décrire les processus modélisés. Ces processus sont liés à des flux bio-physiques (écoulement, gènes) et/ou à des formes bio-physiques (relief, végétaux). Les couplages entre ces processus sont exposés sous forme d'applications diverses :<br />- des applications sur le stockage des déchets nucléaires et la corrosion des verres illustrent le couplage entre les équations de transport et la géochimie.<br />- des applications sur la modélisation géomorphologique des karsts et des lacs montrent un exemple du couplage entre les équations de la diffusivité et de la géochimie.<br />- une application sur le transfert biologique dans un réseau hydrographique permet d'aborder le couplage entre l'équation de transport et la géométrie fractale.<br />- une application sur la modélisation pluie-débit donne une idée du couplage possible entre la théorie de l'hydrogramme unitaire et la géométrie fractale.<br />- des applications variées sur l'analyse des formes.

Dans les zones ostréicoles, les flux de matière organique vers les sédiments sont accrus, l'huître Crasssotrea gigas rejetant sous forme de pseudo-feces et de feces de grandes quantités de matière organique. De ce fait, bien que cette matière organique puisse être consommée par la faune benthique, sa surabondance peut provoquer une réduction de leur richesse spécifique, abondance et biomasse et provoquer sur le plan des processus biogéochimiques une réduction de la couche benthique oxygénée et l'apparition de substances comme l'ammonium et les sulfures dont les concentrations peuvent devenir toxiques. L'objectif principal de cette étude est donc de déterminer l'effet de l'ostréiculture, grâce à plusieurs indicateurs, sur le compartiment benthique d'un écosystème littoral comme les pertuis charentais. Pour évaluer ces effets, la macrofaune benthique et les foraminifères vivants benthiques ont été utilisés en association avec des mesures des paramètres physicochimiques de la colonne d'eau et du sédiment. Une approche pluridisciplinaire a été menée dans les pertuis charentais à trois échelles spatiales différentes : à l'échelle d'une table ostréicole (micro-échelle), à l'échelle d'un site ostréicole (méso-échelle) et à l'échelle des pertuis charentais (macro-échelle). Dans les trois cas, un suivi dans le temps a été associé à une étude de distribution spatiale, quelques mois à micro-échelle, tous les quinze jours pendant deux années à méso-échelle et une fois par saison pendant une année à macro-échelle. Ces différentes approches ont permis d'avoir une vision hiérarchisée de la dynamique et de la réponse fonctionnelle de la faune benthique aux changements induits par la présence de l'ostréiculture. La présence des cultures ostréicoles dans les pertuis charentais enrichit les sédiments en particules fines, en matière organique (12 %), en carbone organique particulaire (15-20 µg mg-1) et favorise une production microphytobenthique élevée. Pendant la période chaude de l'année printemps-été, la reminéralisation de la matière organique accumulée associée à des hypoxies temporaires peut favoriser la production de sulfures et d'ammonium. En réponse, la diversité des assemblages benthiques diminue et la dynamique de populations des espèces est perturbée. Elle se caractérise par des augmentations rapides des abondances suivies d'épisodes de mortalité. Les espèces tolérantes de la macrofaune benthique (Cirratulidae, Spionidae et Capitellidae) et des foraminifères vivants benthiques (Ammonia tepida et Cribroelphidium gunteri) sont favorisées. L'indice AMBI confirme la qualité écologique moyenne des sites ostréicoles. Au contraire, dans les stations témoins, les espèces sensibles persistent (Amphipodes, Rosalina cf. vilardeboana). La comparaison entre pratiques de culture sur table et à plat montre que la culture des huîtres à plat est moins perturbante pour le milieu benthique. L'utilisation innovante de la tomodensitométrie axiale par scanner médical pour la description tridimensionnelle de la colonne sédimentaire suggère une relation étroite entre le mode de bioturbation des différents groupes de la macrofaune et la réponse des foraminifères vivants dans la colonne sédimentaire en terme de distribution verticale. La diminution de la diversité des assemblages de la macrofaune dans les zones soumises à l'ostréiculture modifie la diversité fonctionnelle de ces assemblages et affectent le fonctionnement de la colonne sédimentaire, limitant la répartition verticale des foraminifères dans ces zones.

L'atmosphère de Mars contient en permanence des poussières micrométriques en suspension dont la quantité varie dans le temps et dans l'espace. Ces aérosols sont l'un des éléments clés du cycle climatologique de la planète, car ils modifient l'équilibre radiatif de l'atmosphère. La poussière atmosphérique diffuse le rayonnement solaire visible et proche infrarouge qui illumine la planète Mars. En janvier 2004, l'imageur spectral OMEGA a commencé à observer Mars dans ces domaines de longueur d'onde. L'analyse des observations réalisées par OMEGA a rapidement abouti à l'identification de nouveaux minéraux à la surface de Mars. Ces découvertes ont profondément modifié nos conceptions sur l'histoire passée de la planète. Ce travail de thèse est basé sur le développement d'un modèle de transfert radiatif de type Monte-Carlo. Ce modèle permet de séparer dans les données OMEGA la contribution des aérosols de celle de la surface. Il est utilisé pour étudier les propriétés optiques et physiques des aérosols et obtenir une meilleure compréhension des caractéristiques de la surface. Les premières applications concernent les régions polaires de Mars, pour lesquelles la contribution des aérosols est très importante compte tenu des parcours optiques élevés. Les données OMEGA sont utilisées pour caractériser les interactions saisonnières entre la poussière atmosphérique et la glace en surface, qui restaient encore mal comprises. Une méthode de cartographie de la profondeur optique de poussière est présentée au dessus des régions polaires sud recouvertes de glace de CO2. L'utilisation du modèle est ensuite étendue aux régions plus proches de l'équateur. Nous démontrons que la poussière soulevée lors de tempêtes dans ces régions ne se redépose pas de manière uniforme sur toute la planète, et nous présentons les premières applications concernant l'étude quantitative de la minéralogie de surface à partir des données OMEGA puis CRISM/MRO. Cette expérience, complémentaire d'OMEGA par ses observations à très haute résolution, a obtenu ses premières données depuis l'orbite martienne en novembre 2006.

L'agriculture d'abattis-brûlis est aujourd'hui pratiquée par 40 à 500 millions de paysans dans les régions tropicales. Depuis plus d'un siècle, un discours dominant condamne ce mode de production; qualifié d'archaïque et peu productif, il serait une cause majeure de déforestation. L'étude du système agraire de Phongsaly, petite région du Nord Laos, a permis d'appréhender la diversité et la rationalité des pratiques paysannes d'abattis-brûlis, qui se sont différenciées au cours de l'histoire récente du fait d'une intervention croissante de l'Etat. Les résultats locaux sont cohérents avec la revue de la bibliographie existante: la plupart des critiques de ce système de production s'avèrent infondées. Quand elles participent à la déforestation, ce qui n'est pas systématique, les agricultures d'abattis-brûlis en rotation n'y jouent qu'un rôle limité; l'exploitation forestière et les agricultures pionnières en sont les principales causes. La complexité et la logique des systèmes agraires d'abattis-brûlis sont classiquement méconnues par les groupes sociaux tiers. Les pratiques des essarteurs, généralement des montagnards et de minorités ethniques, sont évaluées par des habitants des plaines en fonction de leurs préoccupations et des utilités qu'ils assignent à la forêt et la montagne. Les scientifiques n'apportent que rarement un éclairage rigoureux et objectif dans ces débats au sein desquels abondent trop souvent les lieux communs. L'agriculture paysanne contribuant souvent positivement à la gestion de l'environnement, il convient de la revaloriser. Les politiques agricoles devraient donc prendre en compte les savoirs et l'expérience des paysans pour la gestion durable des ressources naturelles. L'unique possibilité pertinente est l'association des paysans à l'élaboration et la mise en œuvre des interventions publiques.