Acquérir des informations sur les forts séismes passés est crucial pour anticiper les caractéristiques des forts séismes futurs. Une partie des traces laissées par les forts séismes passés sont enfouies dans les premiers mètres du sol et sont en général révélées par des tranchées de quelques mètres de profondeur ouvertes à travers les failles sismogènes. Bien que pertinente, cette méthode est destructive. L'objectif a été de développer une nouvelle forme de paléosismologie, non destructive, basée sur l'imagerie géoradar pseudo 3D, capable de retrouver ces traces enfouies des séismes passés. Dans ce travail, cinq sites d'étude sont présentés, situés le long de failles actives décrochantes de Nouvelle Zélande. Notre nouvelle approche débute, dans un premier temps, par l'analyse 'classique' de la morphologie de surface à partir de données LiDAR et de MNT GPS haute résolution. Ceci nous permet d'identifier l'ensemble des marqueurs morphologiques préservés à la surface et les déplacements horizontaux qu'ils ont enregistrés. Dans un second temps, l'analyse des profils GPR pseudo-3D acquis en chacun des sites révèlent des réflecteurs principaux dans les premiers 5-10 m du sol recoupés par un grand nombre de marqueurs morphologiques, partiellement ou totalement invisibles en surface. La plupart de ces marqueurs enfouis sont coupés et décalés par la faille considérée. Les mesures de ces décalages fournissent des collections denses de déplacements cumulés sur chacune des failles investiguées avec généralement un nombre de mesures effectués en sub-surface 10 à 20 fois plus important qu'en surface et couvrant une plus large gamme de valeurs. L'application sur la faille de Hope de cette approche a notamment permis de mettre en évidence un déplacement latéral caractéristique de 3.2 ± 1 m lors des 30-35 derniers forts séismes. Ce travail démontre le potentiel de l'imagerie géoradar pseudo-3D à détecter une partie de l'histoire sismique des failles et, ce faisant, à fournir des informations sur les caractéristiques des forts séismes passés.

La quantité de données de télédétection archivées est de plus en plus importante et grâce aux nouveaux et futurs satellites, ces données offriront une plus grande diversité de caractéristiques : spectrale, temporelle, résolution spatiale et superficie de l'emprise du satellite. Cependant, il n'existe pas de méthode universelle qui maximise la performance des traitements pour tous les types de caractéristiques citées précédemment; chaque méthode ayant ses avantages et ses inconvénients. Les travaux de cette thèse se sont articulés autour de deux grands axes que sont l'amélioration et l'automatisation de la classification d'images de télédétection, dans le but d'obtenir une carte d'occupation des sols la plus fiable possible. En particulier, les travaux ont portés sur la la sélection automatique de données pour la classification supervisée, la fusion automatique d'images issues de classifications supervisées afin de tirer avantage de la complémentarité des données multi-sources et multi-temporelles et la classification automatique basée sur des séries temporelles et spectrales de référence, ce qui permettra la classification de larges zones sans référence spatiale. Les méthodes ont été testées et validées sur un panel de données très variées de : capteurs : optique (Formosat-2, Spot 2/4/5, Landsat 5/7, Worldview-2, Pleiades) et radar (Radarsat,Terrasar-X), résolutions spatiales : de haute à très haute résolution (de 30 mètres à 0.5 mètre), répétitivités temporelles (jusqu'à 46 images par an) et zones d'étude : agricoles (Toulouse, Marne), montagneuses (Pyrénées), arides (Maroc, Algérie). Deux applications majeures ont été possibles grâce à ces nouveaux outils : l'obtention d'un bilan carbone à partir des rotations culturales obtenues sur plusieurs années et la cartographie de la trame verte (espaces écologiques) dans le but d'étudier l'impact du choix du capteur sur la détection de ces éléments.

L'enregistrement géologique de l'Hadéen et de l'Eoarcheén étant limité, la composition et l'évolution de la Terre silicatée au cours de ces périodes reste très débattue et peu connue. La première évidence d'un événement de différenciation précoce du manteau provient de l'étude du système éteint 146Sm-142Nd. En effet, les excès en 142Nd détectés dans les échantillons âgés de 3.7 milliard d'années (Ga) d'Isua (Sud-Ouest du Groenland) par rapport aux échantillons modernes, impliquent que leur source fût appauvrie en éléments incompatibles et formée durant l'Hadéen. Dans cette thèse nous avons étudié les systèmes isotopiques 146Sm-142Nd, 147Sm-143Nd et 176Lu-176Hf d'une collection d'échantillons mantelliques âgés de 3.8 Ga, 3.7 Ga, 3.4 Ga et 3.3 Ga et provenant de différentes unités géologiques de la région d'Isua. Cette collection d'échantillons couvre ~500 millions d'années de l'histoire précoce terrestre et a permis d'apporter des informations précieuses sur l'évolution de la composition et la dynamique du manteau au début de l'histoire de la Terre. Nous avons démontré un découplage des systèmes isotopiques de longue-vie Sm-Nd et Lu-Hf dans la source des roches âgées de 3.7 Ga, alors que ces deux systèmes sont généralement couplés lors des processus magmatiques de basse pression. Pour expliquer ce découplage, nous proposons que la source des laves d'Isua avait une origine profonde (manteau inférieur). Nous avons également confirmé les excès en 142Nd dans ces échantillons, ce qui implique que leur source a été appauvrie en éléments incompatibles dans les premiers 100 Ma de l'histoire de la Terre. L'évènement responsable de la différenciation du réservoir appauvri aurait également formé un réservoir complémentaire enrichi, enregistré dans les roches de 3.4 Ga. Cependant, les échantillons de 3.3 Ga ne montrent pas d'anomalies en 142Nd par rapport aux standards terrestres. Ceci suggère que les hétérogénéités chimiques hadéennes aient résisté au mélange convectif pendant plus de 1 Ga, puis qu'elles aient disparu et soient remélangées au reste du manteau à 3.3 Ga. Le mélange à 3.3 Ga pourrait aussi s'expliquer par les processus de subduction initiées par la tectonique de plaques récemment proposée comme ayant démarrée autour de 3.2 Ga.

La sismique pétrolière est un domaine d'innovation continue depuis plus d'un siècle. Une part non négligeable des études concerne la séparation des différentes ondes se propageant dans le milieu exploré, en particulier les ondes de surface. A petite profondeur, les ondes de surfaces servent à la tomographie. Bien les connaître et les modéliser permet d'imager la proche surface. Quand la prospection est tournée vers les grandes profondeurs - soit 95% de l'industrie géophysique - ces ondes masquent les ondes de volume qui contiennent les informations sur les couches profondes. Il est donc fondamental de pouvoir s'en affranchir et l'étape de séparation est des plus importantes. Les ondes de surface peuvent cependant être utilisées pour une meilleure connaissance de la proche surface, ce qui permet d'en déduire après coup des paramètres utilisables pour améliorer l'imagerie en profondeur. La recherche s'est renouvelée dans ce domaine du fait de l'impulsion récente donnée par l'imagerie sismique passive à partir du bruit sismique ambiant ou la mise en place de nouvelles géométries d'acquisition. En parallèle, l'étude des champs pétroliers existants pour une meilleure exploitation tend à se développer dans l'industrie. La maîtrise de l'imagerie 4D (3 dimensions d'espace + le temps, appliqués à la surveillance de réservoir) devient dès lors une activité clé pour la recherche dans laquelle les variations des paramètres du sous-sol sont estimées. Le travail de thèse réalisé est issu des constatations suivantes : - En dépit de travaux très riches, les ondes de surface représentent encore un sujet d'investigation important en exploration géophysique. - Les expérimentations à l'échelle du laboratoire restent relativement peu usitées en géophysiques, en particuliers pour des études impliquant un grand nombre de points de mesure. La première partie de la thèse a permis de valider un environnement de laboratoire adapté à l'étude des ondes de surfaces, en particulier la mise en évidence d'un mélange " ondes de surface - ondes de volume " analogue à celui rencontré lors d' acquisitions terrestres. Ceci a pu être réalisé grâce à des gels d'Agar-agar de forte densité et la mise en place d'une chaine d'acquisition automatisée impliquant des réseaux de sources et de récepteurs denses. Une deuxième partie a permis de séparer les ondes de surface et les ondes de volume à l'aide de traitement d'antennes. Après séparation des ondes, il devient possible de suivre leurs variations de temps d'arrivées en présence de modification du milieu en surface et/ou en profondeur comme dans le cas d'une surveillance de réservoir en sismique pétrolière (4D). Une étude 4D complète a donc été réalisée, permettant de suivre non seulement les variations de temps d'arrivées mais également d'amplitude et de directions de départ et d'arrivées des ondes. Une méthode pour compenser les variations de vitesses parasites de la proche surface à été développée. Cette étude a été complétée par une étude issue de données terrains. Les profils de vitesse rencontrés sur le terrain font état de vitesses relativement faibles en surface. La conséquence en est que les différentes ondes de volume issues de la profondeur arrivent avec des angles d'incidences faibles et voisins les uns des autres. Les méthodes classiques de séparation d'ondes étant souvent inefficaces à ces angles, un chapitre a été consacré à l'étude des algorithmes de haute résolution dans le cadre de l'exploration sismique. Enfin, en tirant partie de la haute densité spatiale de points d'acquisitions rendue possible par l'environnement mise en place, une étude comparée de deux dispositifs - l'un théoriquement idéal mais peu réaliste et l'autre économiquement viable sur le terrain mais moins efficace - a permis de s'attaquer au problème des ondes réfléchies sur des diffractants en surface qui perturbent beaucoup les acquisitions actuelles. Une nouvelle solution de filtrage a été proposée pour le deuxième cas.

L'arsenic est un metalloïde toxique et cancérigène. Ubiquiste dans la pedosphere, il est très sensibleaux fluctuations des conditions redox du sol, ce qui influe significativement sa toxicité et mobilité. Nousétudions le cycle biogéochimique global de l'arsenic, en tenant compte de l'usage croissant des ressources, etpassons en revue l'importance respective de l'arsenic geogénique et anthropogénique dans l'environnement.La contamination à l'arsenic est souvent diffuse dans les bassins sédimentaires de l'Europe. Cependant, desconcentrations dans l'eau interstitielle du sol peuvent être élevées lors de périodes de saturation du solcausées par la monté des eaux souterraines ou les inondations, prévues d'augmenter dû aux changementsclimatiques. La spectrométrie de fluorescence X quantitative et sans standard a été utilisée pour analyserl'arsenic dans des sols relativement contaminés de la plaine alluviale de la Saône au moyen de protocoles depréparation d'échantillons conçus pour optimiser la précision d'analyse et l'exactitude in situ aux bassesconcentrations d'arsenic. L'arsenic dans ces sols est associe aux (hydr)oxydes du fer et de manganèse de lataille d'argile colloïdale. Ceux-ci subissent une dissolution réductrice par les microorganismes lors desinondations, libérant une importante concentration d'arsenic dans la phase aqueuse. Si, par la suite, l'arsenicdégagé n'est pas éliminé avec l'eau de crue évacuée, il est ré-immobilisé pendant l'oxydation du sol et lareprécipitation des oxydes métalliques. Grâce à une combinaison novatrice d'analyses chimiques par voiehumide, d'écologie microbienne, de spectroscopie ainsi que de modélisation thermodynamique et cinétique,nous démontrons que les cycles d'oxydo-réduction séquentiels entraînent une atténuation d'arsenic aqueuxdans des conditions réductrices dû à la coprécipitation croissante, et a une diminution de l'activitémicrobienne causée par l'appauvrissement en matière organique labile. Des processus d'atténuationsimilaires sont observés en l'absence d'activité microbienne pour Cr et As dans des argiles pyriteuses lorsquecelles-ci sont exposés aux oscillations redox provoquées par l'ajout de substances humiques réduites. Ainsi,nous montrons que les effets cumulatifs de cycles redox successifs sont extrêmement importants pour lamobilité de divers contaminants dans l'environnement.

The effect of the soil organic status (SOS) on the dynamics and impact of a copper contamination was investigated in a coupled field and mesocosm study with a loamy vineyard soil that had been amended with conifer compost (CC) or not amended (NA) during a previous long-term field experiment. Soil mesocosms were contaminated at 240 mg Cu kg-1 and incubated for 24 months. Cu distribution and dynamics were assessed in the solid matrix at the microscale by size fractionation of soils and in the soil solution by measuring total and free exchangeable copper concentrations (Cu2+). Copper bioavailability, CuBio, was also measured with a whole-cell biosensor. The impact of copper on soil bacterial community was evaluated through the monitoring of the amount of copper-resistant bacteria and through the variations in bacterial community structure using ARISA (Automated-Ribosomal-Intergenic-Spacer-Analysis). Results showed that copper distribution, speciation and bioavailability are strongly different in the NA and CC soils, demonstrating that the organic status of soils largely controls the solid and liquid speciation of copper as well as its availability to microorganisms. Cu was shown to be dominantly distributed in the smallest size fractions (<20µm) of both control and amended soils and also in the coarser fraction (>250µm) of the CC soil. The coarser and finest size fractions of the soil are also the ones that release more Cu2+ and CuBio, explaining thus the important amount of Cu-resistant bacteria inhabiting these fractions and the differentiated temporal impact on the structure of soil bacterial community. The distribution of cultivable bacteria varied strongly between the two soils and was found to be well correlated with the distribution of added OM that controls thus bacterial community structure. The preferential impacts of copper observed in the smallest size fractions of the non amended soil demonstrate that copper toxicity and impact is also controlled by the reactivity of the soil fractions. This reactivity controls especially the release and the liquid speciation of Cu and thus bacteria-metal contact. A clear relationship between copper speciation, bioavailability, distribution and impact was established in the present study and will permit better predicting the fate and impact of metals in soils, by accounting for microscale control of metal impact

Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu'aux processus d'émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d'autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L'Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu'à quelques centaines de mètres au-dessus de l'évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d'explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l'étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l'existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu'il s'agit de l'émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d'inversion de type Monte Carlo couplée d'un algorithme d'optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l'atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres.

Le bilan de masse de l'Antarctique dépend de deux contributions principales: le bilan de masse de surface constitué par l'ensemble des processus de perte et de gain de masse agissant en surface (précipitations, fonte, sublimation, tranport par le vent...) et le transfert dynamique de glace de la calotte vers la mer. Ce transfert a lieu au niveau des glaciers émissaires côtiers et représente 90% de la perte du volume total de glace de la calotte. Ces systèmes côtiers constituent ainsi les principaux régulateurs de l'évolution du bilan de masse de la calotte et de la contribution de cette dernière à l'élévation du niveau des mers. Les observations récentes révèlent une diminution accrue du bilan de masse en certaines zones de la calotte polaire telle que la partie Ouest et une contribution à l'élévation du niveau des mers de la part de la calotte qui augmente progressivement par rapport à l'expansion thermique. L'étude de la dynamique des glaciers émissaires par modélisation permet ainsi de mieux comprendre leur fonctionnement, de prédire leur réponse à une quelconque sollicitation, et d'évaluer l'impact potentiel sur l'élévation du niveau des mers. Ce travail de thèse vise à apporter de nouveaux éléments pour mieux contraindre ces modèles d'écoulement de la calotte antarctique. Il se scinde en deux axes principaux. La première partie s'intéresse à l'implémentation des processus physiques dans le modèle numérique, en particulier représenté par la migration de la ligne d'échouage qui sépare la partie posée de la partie flottante. Elle se base sur des cas synthétiques 2D. Nous mettons en évidence dans cette partie la diversité des modèles d'écoulement de calotte impliqués et les différences et similitudes associées. En particulier, la majorité de ces modèles repose sur deux hypothèses fortes que sont la stationnarité et la prédominance du glissement basal sur l'écoulement dont le bien-fondé est remis en question. L'étude d'intercomparaison révèle certaines divergences entre les modèles en terme de contribution à l'élévation du niveau des mers, les résultats nécessitent donc d'être pris avec précaution et les efforts doivent se concentrer sur la validité des hypothèses et l'implémentation du processus de migration de la ligne d'échouage. La deuxième partie consiste à appliquer le modèle Elmer/ice, qualifié de 'full-stokes', au cas réel 3D du Glacier de l'Astrolabe situé en Terre Adélie en Antarctique de l'Est.Cette application nous a permis de tester la sensibilité du modèle full-Stokes aux incertitudes sur les données d'entrées telles que la description du socle rocheux. Cette sensibilité s'avère significative recommandant une bonne connaissance de l'élévation du socle sous jacent à la glace et des méthodes appropriées pour sa détermination sur les noeuds du maillage associé au modèle.

Ce travail de thèse porte sur la dynamique des matériaux en suspension (MES) dans des rivières aménagées de montagne, l'Arc en Maurienne et l'Isère. Un des modes de gestion de l'envasement des différents ouvrages hydro-électriques de l'Arc consiste à réaliser des chasses de barrage annuellement. Lors de ces chasses hydrauliques, les sédiments remobilisés du fond des retenues sont transportés à l'aval des ouvrages sur plusieurs dizaines de kilomètres. L'enjeu est alors de quantifier la propagation en aval de ces MES, afin de comprendre l'impact des chasses de barrage sur le lit de la rivière. Dans une première partie, des données de concentration en MES et de débit, mesurées pendant les chasses de barrage de l'Arc entre 2006 et 2012, sont analysées, critiquées et complétées. A partir de ce jeu de données, des cartes spatiales de flux de MES générés par les chasses de barrage sont dressées, et mettent en évidence des répartitions de zones de dépôt et d'érosion. L'incertitude liée au calcul de ces bilans de masse est quantifiée, et les dynamiques de reprise et de dépôt sont discutées. A titre de comparaison, cette méthode a été appliquée à d'autres événements de crues naturelles et de laves torrentielles, pré-échantillonnées à partir de chroniques de mesures en continu. Enfin, pour mieux caractériser les MES transportées pendant ces épisodes de chasse, des mesures complémentaires de granulométrie et de vitesse de chute ont été réalisées quasiment in situ pendant les chasses de 2011 et 2012. Les dynamiques spatiale et temporelle des ces grandeurs permettent d'établir une stratégie de paramétrisation de modèle numérique. La modélisation numérique hydrosédimentaire 1D fait l'objet de la seconde partie de ce travail de thèse. Le code de calcul d'hydraulique à surface libre MASCARET a été utilisé pour modéliser les écoulements générés par les chasses de barrage entre 2006 et 2012. Cette modélisation hydraulique met en évidence le rôle joué par la présence de bancs alternés de rugosités différentes dans le lit de la rivière. Le code de calcul COURLIS, couplé à MASCARET, a été modifié pour modéliser le transport sédimentaire en suspension. Pour prendre en compte la modélisation du transport de MES en lit composé, une méthode d'estimation d'une concentration moyenne par lit est proposée à partir de données issues de la littérature. Le nouveau modèle ainsi obtenu est comparé avec le modèle homogène dans la section sur des cas réels de crue (mai 2010) et de chasses de barrage (2010, 2011 et 2012). Les résultats de modélisation montrent la capacité du nouveau modèle à reproduire les flux mesurés dans les plages d'incertitude calculées, sans avoir recours à une calibration non physique des paramètres.

La neige est un réacteur photochimique multiphasique complexe capable d'échanger de nombreuses espèces réactives avec l'atmosphère. Les émissions du manteau neigeux peuvent donc influencer de manière considérable la composition et la réactivité des atmosphères polaires. Parmi les composés réactifs ainsi échangés se trouvent de nombreux composés carbonylés dont les aldéhydes qui font l'objet de cette étude. La photolyse des aldéhydes est une source importante de radicaux HOx dans l'atmosphère arctique et l'étude des échanges de ces gaz est donc indispensable à la compréhension de la capacité oxydante de l'atmosphère des régions polaires. Le formaldéhyde (HCHO) est l'aldéhyde le plus abondant dans l'atmosphère et a fait l'objet d'une part importante de notre étude. Une étude expérimentale de la solubilité et de la diffusion de HCHO dans la glace nous a permis de confirmer que ce composé formait une solution solide dans la glace. Les résultats que nous avons obtenus, associés à une analyse critique des données bibliographiques sur la solubilité de HCHO en phase aqueuse, ont été utilisés pour construire le diagramme de phase pression partielle - température du système H2O-HCHO. Afin de comprendre les mécanismes mis en jeu dans les échanges d'aldéhydes entre la neige et le manteau neigeux, nous avons suivi les concentrations en aldéhydes dans le manteau neigeux à Barrow, un site côtier à l'extrême Nord de l'Alaska, lors de la campagne polaire OASIS 2009. Nos mesures ont été associées à celles de la microphysique de la neige et à la mesure en phase gazeuse du formaldéhyde. En développant un modèle numérique de diffusion de HCHO dans les cristaux de neige, nous avons montré que l'évolution des concentrations dans la neige pouvait être reproduite de manière quantitative par l'équilibre thermodynamique et la cinétique de diffusion du formaldéhyde dans la glace. Ce travail ne se limite pas à la seule étude de HCHO. D'autres aldéhydes présents dans l'atmosphère peuvent potentiellement jouer un rôle important dans la chimie atmosphérique. Nous avons donc réalisé des améliorations à notre méthode analytique afin de permettre la mesure non seulement du formaldéhyde et de l'acétaldéhyde, mais aussi du glyoxal, du méthylglyoxal et de l'hydroxyacétaldéhyde. Cette méthode analytique déployée pendant la campagne OASIS nous a ainsi permis de mesurer simultanément et pour la première fois, l'ensemble de ces aldéhydes dans la neige polaire. Ces mesures ont révélé des concentrations importantes de glyoxal et de méthylglyoxal dans la neige, ces composés étant probablement présents dans les aérosols organiques piégés par la neige. Le rôle de cette matière organique particulaire dans la chimie de la neige nous semble mériter de plus amples études, afin de mieux caractériser sa structure et sa réactivité.