Avant de commencer le bilan de mes travaux et les principaux résultats obtenus j'aimerais faire une introduction, un peu à la marge des préoccupations scientifiques ou presque, mais qui permet de positionner cette HdR. « Rappeler l'histoire c'est gérer efficacement le présent et mieux s'armer pour réussir le futur » : C'est avec cette phrase que j'ai envie de situer ce mémoire. Tracer le cheminement de mes connaissances aura un double écho. Le premier, important, c'est de mieux placer mon expérience de recherche dans le contexte de cette vaste discipline qui est la géologie de la MO. Le deuxième impact, peut être subsidiaire, c'est de confronter mes acquis dans ce domaine et peut être rejoindre mes collègues habilités à diriger des recherches, étape considérée comme importante aux yeux de la plupart des collègues étape qui reste plus administrative que scientifique pour d'autres. Pour ma part j'ai tranché, il faut concilier ces deux mondes : je le fais. Il est vrai que l'exercice ne doit pas être uniquement considéré comme une obligation académique mais également comme une nécessité scientifique qui permet de présenter l'état des lieux des recherches dans mon domaine. Généralement cet exercice est profitable pour le futur habilité, mais doit également l'être par un nécessaire recul scientifique en présentant une vision la plus globale possible au service de notre communauté scientifique. Pour cela, je vais essayer de faire passer comme même un message, ne serait ce que pour les idées que je défends les leçons tirées de notre manière de faire la SCIENCE et les orientations que je souhaite voir émerger pour le futur de notre discipline puis à une échelle plus modeste les projets que je désire développer. Le baromètre d'un chercheur scientifique comme chacun le sait se mesure essentiellement par le nombre de publications. Qu'en est-t-il d'un l'habilité à diriger des recherches. Pour moi, en plus de ces considérations comptables pour tout chercheur, un habilité à diriger des recherches doit l'être par ses compétences à la fois techniques et scientifiques, c'est quelqu'un qui s'investit énormément dans la formation par la recherche des masters et de thésard, c'est un entraineur, un meneur de troupes. Ce n'est pas un acteur de la recherche, c'est plutôt l'auteur et le metteur en scène. En posant cette définition je place la barre très haute et rends difficile ma tache dans le sujet qui nous concerne notamment dans l'élaboration de ce mémoire.

La géophysique est une science fondamentalement liée aux observations, et son évolution rapide dans de nombreux domaines au cours des deux dernières décennies est due en grande partie à des avancées métrologiques importantes qui améliorent la qualité et la quantité des observations recueillies. Par exemple, dans le domaine de la sismologie, le réseau global (Global Seismographic Network - GSN) contient plus de 120 sismomètres, le premier instrument permanent de fond de mer (ocean-bottom seismometer - H2O) a été installé, et dans un futur proche des projets ambitieux tels que le réseau ultra dense américain de sismomètres ‘USArray' permettront d'obtenir des quantités très importantes de données à l'échelle d'un continent ou d'une région, enregistrées par des réseaux haute résolution de stations large bande. Dans le domaine de la géodésie satellitaire, que l'on peut aussi considérer en un sens comme la sismologie ultra longue période, les progrès métrologiques de positionnement GPS et l'interférométrie radar ont permis de mesurer les déformations et d'en déduire les contraintes à l'échelle régionale pendant et après de grands séismes (par exemple en Californie du Sud, Landers en 1992 ou Hector Mine en 1999), et d'étudier l'évolution de ces régions liée aux phénomènes post-sismiques. Bien évidemment, les progrès réalisés en instrumentation et acquisition de données doivent être accompagnés d'une meilleure compréhension théorique des phénomènes mis en jeu, ainsi que d'une meilleure modélisation de ceux-ci, au moyen de techniques de calcul numérique tridimensionnelles. Si nous comparons à l'évolution d'autres domaines tels que la mécanique des fluides, la météorologie ou encore l'astrophysique, dans lesquels les progrès en calcul scientifique ont suivi de près les progrès en instrumentation (cas des souffleries numériques, étude numérique de phénomènes climatiques tels que les ouragans etc.), le domaine de la sismologie n'a pas encore bénéficié pleinement des progrès rapides de l'analyse numérique, du calcul scientifique et de la technologie des ordinateurs modernes (calcul parallèle et vectoriel). Le présent mémoire résume les recherches que j'ai effectuées jusqu'à présent pour faire le lien entre différents domaines de la géophysique et les progrès du calcul scientifique. Nous avons d'une part développé des outils sophistiqués de calcul, nous les avons validés de manière rigoureuse, et nous les avons ensuite appliqués à des cas concrets intéressant la sismologie locale, régionale et globale. Dans la conclusion de ce document, nous exposons également quelques thèmes de recherche que nous souhaitons développer dans le futur.

L'exosphère d'une planète est la région supérieure de son atmosphère, là où les collisions entre les particules constituant l'atmosphère deviennent négligeables. Sur Mars, la compréhension des mécanismes de la formation de cette exosphère et de son rôle dans l'interaction avec le vent solaire est particulièrement importante pour caractériser l'échappement de l'atmosphère et comprendre la disparition de l'eau liquide en surface. Le principal travail effectué au cours de cette thèse a consisté à étudier le lien entre l'exosphère et l'échappement dans les conditions solaires actuelles et à caractériser cette exosphère à l'aide des observations de la raie Lyman-a et du triplet de l'oxygène à 130.4 nm obtenues par le spectromètre UV de SPICAM à bord de la mission Mars Express en orbite autour de Mars depuis le 25 décembre 2003. Après avoir présenté le contexte général du problème de la disparition de l'eau lié à l'évolution climatique de Mars dans le chapitre introductif, je présente dans le premier chapitre l'état des connaissances actuelles sur la haute atmosphère de Mars et sur l'interaction entre la haute atmosphère et le vent solaire. Dans le deuxième chapitre je présente une étude de la formation de l'exosphère d'oxygène martienne réalisée à l'aide d'un modèle 3D de type Monte Carlo et le couplage de cette exosphère avec un modèle hybride 3D de l'interaction du vent solaire avec Mars réalisé par R. Modolo et G.M. Chanteur du CETP. Ce couplage a permis, pour la première fois de déterminer, de façon consistante, l'échappement de l'atmosphère de Mars par les principaux mécanismes actuels et de montrer notamment que l'échappement actuel d'oxygène était dominé par l'échappement sous forme de neutres (jamais mesuré à ce jour). L'influence de l'expansion de la couronne sur l'échappement ionique et sur le criblage est aussi étudiée. L'extrapolation des taux d'érosion actuels nous permet de déterminer une limite inférieure à l'échappement d'oxygène sur les quatre derniers milliards d'années. Dans le troisième chapitre, je présente les émissions UV observées dans la haute atmosphère de Mars ainsi que le spectromètre UV de SPICAM à bord de la mission Mars Express. Dans ce chapitre, sont aussi détaillées, la méthode de traitement des données consistant notamment au retrait du courant d'obscurité, à la calibration absolue des données et à l'estimation de l'intensité des émissions exosphériques Lyman-a de l'hydrogène atomique à 121.6 nm et du triplet de l'oxygène (non résolu) à 130.4 nm ainsi que la reconstruction des lignes de visées de l'instrument. Le quatrième chapitre présente les deux modèles de transfert de rayonnement utilisés pour analyser les raies exosphériques observées par SPICAM : un modèle itératif avec redistribution complète en fréquence qui a été utilisé pour simuler la diffusion résonante des photons solaires par les atomes d'hydrogène de la haute atmosphère martienne ; un modèle Monte Carlo avec redistribution partielle en fréquence qui a été utilisé pour simuler la diffusion résonante des photons solaires ainsi que la diffusion résonante des photons émis suite à l'excitation des atomes d'oxygènes par l'impact des photo-électrons. Dans le cinquième chapitre, je présente l'analyse des quelques profils d'intensité de l'émission Lyman-a de l'hydrogène atomique observés par SPICAM comparés avec des 8 profils théoriques. Cette étude sensible à la calibration absolue de l'instrument montre qu'indépendamment de la calibration absolue de l'instrument une composante chaude d'hydrogène exosphérique est nécessaire pour reproduire les profils observés par SPICAM. L'importance de cette population chaude dont l'origine reste indéterminée diminue lorsque l'illumination solaire diminue. Cette population chaude joue un rôle majeur dans l'échappement de l'hydrogène actuel. Enfin dans le sixième et dernier chapitre, je présente l'analyse de quelques profils d'intensité de l'émission de l'oxygène atomique à 130.4 nm obtenus par SPICAM toujours en comparant les profils observés avec des profils théoriques. Dans cette étude on montre que l'excitation par l'impact des photoélectrons est négligeable devant l'excitation par les photons solaires dans la haute atmosphère de Mars et l'on en déduit la densité d'oxygène à l'exobase ainsi que le rapport de mélange [O]/[CO2] à 135 km particulièrement important pour caractériser l'équilibre thermique de la haute atmosphère. Là encore une population chaude (dont l'origine est connue) semble avoir une influence sur la température exosphérique estimée. Deux annexes présentent respectivement la méthode utilisée pour produire des profils thermiques théoriques de densité d'oxygène, d'hydrogène et de dioxyde de carbone dans l'exosphère de Mars (Annexe A) et dans la thermosphère de Mars (Annexe B).

Comprendre la formation planétaire est un défi majeur de l'astronomie. Il est désormais établi que les systèmes planétaires naissent au sein de disques protoplanétaires, qui se forment concomitamment aux étoiles pré-séquence principale.<br /><br />Cette thèse présente le travail que j'ai mené afin de déterminer les conditions physico-chimiques qui prévalent dans ces objets. Je présente en particulier les observations en interférométrie millimétrique des disques entourant les étoiles jeunes DM Tau, LkCa 15, MWC 480, HD 34282 et AB Aur dans les raies de rotations des isotopes de CO, ainsi que de quelques molécules et radicaux (HCN, CN, etc.). Je présente également le modèle paramétrique que j'ai employé pour analyser ces données, notamment la partie du transfert radiatif hors équilibre thermodynamique local que j'ai développé au cours de ma thèse. Enfin je présente les résultats que j'ai obtenu de ces observations.

À l'extrémité du spectre électromagnétique observé, l'astrophysique gamma étudie les traces des phénomènes les plus violents de notre univers. Grâce aux instruments toujours plus perfectionnés, la recherche dans cette branche de l'astronomie est entrée dans un âge d'or, où les résultats quantitatifs et prédictifs ont succédé aux découvertes pionnières. Néanmoins, les techniques actuellement utilisées semblent avoir atteint leur limites avec la dernière génération de satellites d'observation. De nouveaux instruments gamma doivent donc être développés afin d'atteindre les résolutions angulaires et les sensibilités nécessaires à la confrontation des observations avec les prédictions théoriques. <br />Afin de franchir cette nouvelle étape, la focalisation des rayonnements gamma offre une voie aujourd'hui prometteuse. Dans cette optique, le projet CLAIRE a pour objectif de démontrer la faisabilité d'une lentille gamma pour l'astrophysique nucléaire, ainsi que de quantifier les performances d'un tel instrument et les comparer aux principes théoriques.<br />À partir des lois de la diffraction des rayons dans les cristaux, une lentille a donc été développée et mise au point au CESR. Cette intrument, focalisant une bande énergétique de quelques keV centrée sur 170 keV, est constituée d'environ 560 cristaux de germanium disposés sur 8 anneaux concentriques, dont le réglage en laboratoire a nécessité la mise en place de procédures et systèmes spécifiques. D'autre part, les mesures récoltées lors de ce réglage ont permis de déterminer différents paramètres cristallins, servant ensuite d'initialisation aux simulations numériques.<br />La validité du principe de lentille gamma a alors été testée par des mesures au sol ainsi que par une observation effectuée sur la nébuleuse du Crabe sous ballon stratosphérique. Les mesures sol ont permis de déterminer l'efficacité de diffraction de la lentille ainsi que sa réponse hors axe. Ces résultats valident les principes à la base de la lentille gamma. <br />D'autre part, le 14 juin 2001, la lentille gamma a été embarquée sous ballon stratosphérique, à 41 km d'altitude. Suite au traitement des données, le signal diffracté a pu être mis en évidence avec un niveau de confiance de 3 sigmas, correspondant à une détection d'environ 33 photons pendant une observation effective d'1h12.<br />Les différentes expériences, tant au sol que pendant le vol stratosphérique, s'accordent sur une efficacité de 10% à 170 keV. Conformes aux prédictions, ces résultats valident le concept de lentille pour l'astrophysique et ouvrent la voie au développement d'un instrument spatial.

Les forêts du Liban ont fait l'objet de nombreux travaux depuis le milieu du XIXéme siècle. En particulier, des cartes forestières ont régulièrement été réalisées depuis 1965. Nous proposons de reprendre l'ensemble de ces données, de les compléter par des images satellites récentes (MSS 1972, TM 1989, Spot5 2003) puis de développer des outils susceptibles de caractériser l'évolution des forêts du Liban durant ces 50 dernières années.<br />Une analyse critique de l'ensemble des sources qui prend en compte leur mode de constitution a permis de constituer un référentiel géographique et sémantique commun pour comparer les cartes et les images satellites. Une modélisation des paysages reposant sur plusieurs indices fondés sur la caractérisation de « patches » est utilisée pour évaluer l'emprise du développement urbain, les processus de dégradation/régénération, l'impact des facteurs abiotiques (topographie, pédologie, ...), les pratiques agricoles, le rôle des routes ... sur la fragmentation des îlots forestiers.<br />Les forêts du Liban apparaissent clivées en deux grandes entités : la zone côtière et la zone intérieure. En zone côtière, les peuplements de chênes sont denses et présentent une bonne régénération durant la période étudiée tandis qu'en zone intérieure, ils témoignent d'une importante dégradation due à la création de carrières ou à un déboisement laissant la place à des cultures et à des espaces herbacés. Les forêts de Genévriers semblent fortement dégradées sur l'ensemble du territoire bien que leur type de formation arborée lâche permette mal de quantifier leur évolution

La dynamique des systèmes gravitationnels s'appuie traditionnellement sur la physique de Newton. Appliquée à l'échelle des galaxies, la gravitation newtonienne impose l'existence d'une certaine matière, actuellement invisible : la matière noire. Si ce modèle ($\Lambda$ Cold Dark Matter) rencontre des succès à grande échelle, des difficultés apparaissent à l'échelle des galaxies. Dans ma thèse, j'explore par des simulations numériques une alternative de la gravitation newtonienne : MOND (Modified Newtonian Dynamics), où la loi newtonienne de la gravité est modifiée selon une échelle d'accélération, sans l'intervention de la matière noire.<br />Cette expression de la gravitation est non-linéaire et impose une méthode différente de celle utilisée dans les systèmes avec matière noire. J'ai écrit un code permettant la résolution des deux modèles de gravité, ce qui a permis de les comparer. J'ai testé ainsi l'évolution de galaxies spirales isolées puis en interaction. Ces simulations modélisent aussi la dissipation du gaz froid et la formation d'étoiles. Celles-ci ont montré que les galaxies sont moins stables en gravitation modifiée qu'en gravitation newtonienne, elles forment des barres plus rapidement. Ces simulations ont aussi révélé des différences importantes sur les transferts de moment angulaire lors des formations des barres et sur les effets de friction dynamique qui ralentissent les barres. Ce travail a permis de réaliser, pour la première fois en gravité modifiée, des simulations de galaxies en interaction du type des Antennes. Là encore, les effets de friction dynamique ont un rôle majeur sur la durée du temps de fusion, plus long en gravitation modifiée. Ceci ouvre des horizons vers des simulations cosmologiques qui pourraient valoriser un modèle en analysant la formation hiérarchique des structures à partir des fluctuations de densité primordiales. Par ailleurs, la modélisation de la cinématique des galaxies (naines, spirales et elliptiques) est aussi approfondie. En particulier, l'analyse des courbes de rotation des galaxies spirales montre que celles-ci peuvent contenir un composant de gaz moléculaire froid deux fois plus massif que le composant atomique.

Le GPS est la technique de positionnement global la plus utilisée ; sa précision planimétrique en mode géodésique atteint le niveau millimétrique. Cependant, une limite importante réside dans la détermination de la composante verticale (3-15~mm pour des sessions de 24~h) dont l'estimation est dégradée par la perturbation de la propagation des signaux lors de la traversée de la troposphère.<br />L'action NIGPS, menée en collaboration par l'IGN et le SA (CNRS), vise à développer une correction de ces effets atmosphériques basée sur le sondage de l'humidité à l'aide d'un lidar Raman vapeur d'eau à visée multi-angulaire. Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux présentés en 2005 par Jérôme Tarniewicz et consiste à poursuivre l'étude méthodologique, les développements instrumentaux et la validation expérimentale de l'analyse conjointe des observations GPS et lidar.<br />Après l'étude à partir de simulations numériques de l'effet de la troposphère sur le GPS et de sa correction, nous nous intéressons à la restitution précise de mesures de vapeur d'eau par lidar Raman. Les données acquises lors de la campagne VAPIC permettent de vérifier l'impact de la troposphère sur le GPS. La comparaison des observations lidar à celles issues d'autres instruments permet de valider la mesure lidar et souligne la capacité de cette technique à restituer des variations rapides de vapeur d'eau. Une première évaluation de la correction des observations GPS par des mesures lidar au zénith est réalisée sur des sessions GPS de 6 h et montre l'apport de cette technique sur les cas considérés. Ces résultats devraient cependant être améliorés grâce la prise en compte de visées lidar obliques.

Ce travail de recherche est axé sur l'étude des instabilités gravitaires dans les Pyrénées et sur le rôle des facteurs géologiques, hydrogéologiques et mécaniques dans le déclenchement des glissements de terrain. Cette réflexion est menée à travers l'étude de deux types différents de glissements de terrain : l'un en milieu rocheux, l'autre en milieu granulaire. Dans le premier cas il s'agit du glissement rocheux historique de Pleysse datant de 1982 et situé en Vallée d'Ossau, dans l'autre cas il s'agit du glissement de Gouetsoule activé en 1997 et localisé en Vallée d'Aspe. Au terme de ce travail, les différents facteurs géologiques, hydrogéologiques et mécaniques ont été définis pour chaque glissement de terrain afin de déterminer les facteurs déclenchants. Leurs études ont aussi permis d'améliorer la compréhension d'une instabilité gravitaire tant en milieu granulaire que rocheux.

Late Carboniferous to Permian strata of the Lower Karoo sequence in the Kalahari Karoo Basin, Botswana, contains suitably preserved palynomorphs for biostratigraphic classifications. All taxa described from eight out of the nine coreholes sampled for the study comprise sixty-eight genera made of one hundred and sixty-five miospore species, eleven arcritarchs species, seven prasinophytes species, and 1 chlorophyte species. Two wellsampled coreholes, namely STRAT 1 and CKP6, have lacial facies, to warm and drier conditions during deposition of the lower Ecca sequences. Palaeoclimatic conditions ultimately turned wet during middle Ecca times generating coal-forming settings. Palaeoenvironmental interpretations based on palynofacies data indicate a predominantly proximal palaeo-depositional setting for the entire Lower Karoo sequence at STRAT 1 borehole. The broader depositional environment transformed from glacial sub-environments, during deposition of the Dwyka Group, into a relatively wider basin punctuated by some rare marine incursions, in the early Ecca Group, and ultimately developing into a deltaic system.