The presence of a hydrothermal system at Taal volcano is evident from the presence of a craterlake (Main Crater Lake, MCL), a caldera lake (Lake Taal) and several hot springs on the flanksof Taal volcano island and in the crater. Taal MCL, covering an area of 1.2 km², is acidic (pH= 3), warm (T = 30-33 °C) and its composition is dominated by Cl, Na and SO4. This thesisaims at understanding the geochemistry of Taal volcano’s hydrothermal system and the wayCO2 is transported through the hydrothermal system and MCL towards the atmosphere.The long-term geochemical evolution of MCL indicates that the hydrothermal system is madeof two reservoirs, one being volcanic and one geothermal in origin. The geothermal componentin Taal MCL has stayed rather constant since 1991, while the volcanic component hasdecreased.The low pH makes Taal volcano the perfect natural laboratory to study the behaviour of CO2,because there is no dissociation of CO2. A combined approach of total CO2 flux measurementsvia accumulation chamber and gaseous CO2 flux measurements via echo sounder shows thatmore than 90% of the total CO2 output of Taal volcano is due to the influx of dissolved CO2,migrating from the hydrothermal system to MCL via thermal springs under the lake surface.After verification of both horizontal and vertical homogeneity of dissolved CO2 concentrations,a continuous monitoring station was installed in 2013, measuring dissolved CO2 using aninfrared gas analyser protected by an ePTFE membrane, as well as several meteorological andenvironmental parameters. Several environmental and lacustrine processes influence CO2transport in MCL, including stratification, solar heating and rainfall.Taal volcano regularly goes through periods of unrest, characterised by seismic swarms,ground deformation and increased carbon dioxide flux. In 1991-1994, this was accompaniedby geochemical changes in MCL, including pH decrease and F, Si and Fe concentrationincrease. These changes can be attributed to an intrusion of magma to shallow levels less thanone kilometre deep. More recent unrests do not show these geochemical changes and are likelycaused by pressure changes in the hydrothermal system. The permanent monitoring stationrecorded hourly data on the 2015 unrest and showed that abnormally high CO2 concentrationswere recorded before the start of seismic or deformation activity, which makes continuous CO2monitoring a very valuable addition to current monitoring activities at Taal volcano. / La présence d’un système hydrothermal au volcan Taal se manifeste par la présence d’un lac de cratère (Main Crater Lake, MLC) ainsi qu’un lac de caldera (Lake Taal) et de multiples sources d’eau chaudes sur les flancs et dans le cratère. Le MCL, avec une surface de 1.2 km², est acide (pH = 3), chaud (T = 30-33 °C) et composé principalement de Cl, Na et SO4. Le but de cette thèse est de comprendre la géochimie du système hydrothermal du Taal et la manière dont le CO2 est transporté à travers de celui-ci ainsi qu’à travers le MCL vers l’atmosphère. L’évolution géochimique à long terme indique que le système hydrothermal est composé de deux réservoirs, un d’origine volcanique et un autre d’origine géothermale. Le composant géothermal est resté plutôt constant depuis 1991, tandis que le composant volcanique a diminué. Le pH plutôt bas fait que le volcan Taal est le laboratoire naturel parfait pour étudier le comportement du CO2, parce qu’il n’y a pas de dissociation de CO2. Une approche combinée du flux de CO2 total via chambre d’accumulation, et flux de CO2 gazeux via echo sondeur montre que plus que 90% du flux de CO2 total est dû au CO2 dissout, qui migre depuis le système hydrothermal au MCL via des sources thermales sous la surface du lac. Après vérification de l’homogénéité horizontale et verticale du CO2 dissout, une station de monitoring en continu a été installée en 2013. Cette station mesure le CO2 dissout à l’aide d’un analyseur de gaz infrarouge protégé par une membrane en ePTFE, ainsi que de multiples paramètres météorologiques et environnementaux. Le transport de CO2 dans le MCL est influencé par plusieurs processus environnementaux et lacustre, comprenant la stratification, l’échauffement solaire et la pluie. Le volcan Taal connait régulièrement des périodes de crises caractérisées par une activité sismique, par une déformation du sol et par un flux élevé du CO2. En 1991-1994, ceux-ci ont été accompagnés par des changements géochimiques du MCL, comprenant une diminution du pH et une augmentation de la concentration de F, Si et Fe. Ces changements peuvent être attribués à une intrusion superficielle de magma à moins d’un kilomètre de profondeur. Les crises plus récentes ne montrent pas ces changements en géochimie et sont probablement causés par des changements de pression dans le système hydrothermal. La station de monitoring en continu a enregistré des données toutes les heures pendant la crise en 2015 et a montré que des concentrations particulièrement élevées en CO2 dissout ont été enregistrées avant le début de l’activité sismique et de déformation. Ceci a montré que le monitoring en continu du CO2 est une addition très précieuse aux activités de monitoring du volcan Taal. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les volcans sont des édifices complexes et hétérogènes. Imager leur structure demande des méthodes adaptées au contexte ainsi qu'à la nature, à la qualité et à la quantité des données disponibles.Ce travail porte sur l'imagerie géophysique de l'île volcanique de Basse-Terre en Guadeloupe, par inversion de données gravimétriques et magnétiques, par tomographie d'ondes de surface extraites de corrélations de bruit sismique et par tomographie de temps d'arrivée des séismes de l'arc des Petites Antilles. Nous obtenons ainsi les premiers modèles tridimensionnels de l'île de Basse-Terre en termes de densité, aimantation et vitesses sismiques. La gravimétrie et le magnétisme conduisent à des modèles de densité et d'aimantation avec une très bonne résolution latérale dans les premiers kilomètres, mais avec une résolution verticale très faible. Les ondes de surface issues des corrélations de bruit présentent une bonne résolution verticale dans les premiers kilomètres, mais résolvent mal les variations latérales de vitesses. La tomographie de temps d'arrivée permet d'imager les vitesses sismiques jusqu'à des profondeurs élevées, avec une bonne résolution latérale, mais une mauvaise résolution verticale. Nous proposons une méthode pour inverser conjointement les données sismologiques et gravimétriques pour produire un modèle de vitesses et de densité qui bénéficie des résolutions complémentaires des différents jeux de données.Nos résultats soulignent une tendance NNO-SSE, avec des vitesses et des densités qui diminuent vers le sud en moyenne, conformément à la migration du volcanisme du nord vers le sud au cours de l'histoire géologique de l'île. Nous observons de faibles densités, vitesses sismiques et aimantations au niveau du dôme du volcan de la Soufrière ainsi que dans la région de Bouillante sur la côte ouest, reflétant la forte altération hydrothermale de ces zones. Deux anciens centres éruptifs majeurs, caractérisés par de fortes densités et vitesses sismiques, sont identifiés : l'un au niveau de la vallée de Beaugendre, l'autre au nord au niveau de la vallée de Petite Plaine. / Volcanoes are complex and heterogeneous edifices. Imaging their structures requires methods that are adapted to the context and to the nature, quality and quantity of available data. This work focuses on the geophysical imaging of the volcanic island of Basse-Terre in Guadeloupe, by performing inversions of gravimetric and magnetic data, ambient noise based surface wave tomography, and travel time tomography from earthquakes of the Lesser Antilles arc. We therefore obtain the first three-dimensional models of Basse-Terre island in terms of density, magnetisation and seismic velocities. Gravimetry and magnetism lead to density and magnetisation models with a very good lateral resoltuion within the first kilometres but with very low vertical resolution. Surface wave tomography from noise correlations shows a good vertical resolution within the first kilometres, but poorly resolves the lateral velocity variations. Travel time tomography allows imaging seismic velocities up to great depths with a good lateral resolution but a poor vertical resolution. We propose a method to invert jointly the seismological and gravimetric data in order to produce a velocity and density model that takes advantage of the complementary resolutions associated with the different datasets.Our results outline a NNW-SSE trend, with velocities and densities roughtly decreasing southwards, in accordance with the southward migration of volcanism across the geological history of the island. We observe low densities, seismic velocities and magnetisations in the area of the dome of the Soufrière volcano as well as in the Bouillante area along the western coast, reflecting the high hydrothermal alteration of these areas. Two major old eruptive centres are identified in the areas of Beaugendre Valley and Petite Plaine Valley.

Les écoulements pyroclastiques sont des mélanges à haute température de gaz et de particules volcaniques qui peuvent se propager sur de très grandes distances. Cette forte « mobilité » est souvent attribuée à leur capacité à se fluidiser, c’est-à-dire à générer et conserver une forte pression interstitielle de gaz qui réduit les forces de friction interne. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre comment les irrégularités des terrains sur lesquelles se propagent les écoulements pyroclastiques peuvent favoriser leur fluidisation. Une première série d’expériences de laboratoire a consisté à générer des écoulements de particules fines (diamètre de 45-90 μm) sur des substrats de différentes rugosités. Les résultats montrent que la distance de parcours des écoulements augmente avec la rugosité, allant jusqu’à doubler par rapport à la distance de parcours sur fond lisse. Des analyses de vidéos haute vitesse et des mesures de pression interstitielle d’air à la base des écoulements montrent que la tête (partie antérieure) des écoulements qui se propagent sur un substrat rugueux s’auto-fluidisent en conséquence de la sédimentation des particules dans les interstices du substrat, chassant l’air qui remonte et percole dans l’écoulement. Ce mécanisme d’auto-fluidisation est efficace pour toutes les inclinaisons étudiées (0-30°), suggérant qu’il est susceptible de se produire tout au long de la mise en place d’un écoulement pyroclastique. Une seconde étude a consisté à faire chuter des lits de particules dans une colonne statique. Les résultats montrent que même pour une hauteur de relâchement relativement faible (20 cm), le mélange peut entièrement s’auto-fluidiser durant sa chute. Quand les particules sont suffisamment fines (<100 μm) la pression interstitielle dans le dépôt diffuse pendant plusieurs secondes, la durée de cette diffusion augmentant avec l’augmentation de l’épaisseur du lit et la diminution de taille des particules. Les temps de diffusions les plus longs sont observés avec un matériau provenant d’un dépôt d’écoulement pyroclastique (~30 s pour des lits de 28.5 cm d’épaisseur). Ces résultats suggèrent que les écoulements pyroclastiques qui se propagent sur des terrains accidentés peuvent s’auto-fluidiser et conserver une faible friction au cours de leur mise en place. / Pyroclastic flows are hot mixtures of gas and particles that can propagate over large distances. This high “mobility” is often attributed to their ability to be fluidized, that is, to generate and retain high gas pore pressure that reduces internal friction forces. The main objective of this thesis is to understand how irregularities of substrates on which pyroclastic flows propagate can enhance their fluidization. A first set of laboratory experiments consisted of the generation of fine-grained flows (diameter of 45-90 μm) on substrate of various roughness. Results show that the flow runout distance increases with the substrate roughness, and is up to twice the runout on a smooth substrate. High speed video analyses and air pore pressure measurements at the flow base show that the flow head propagating over a rough substrate can auto-fluidize because of particles sedimentation into the substrate interstices, which forces the air to escape upward and percolate through the flow. This auto-fluidization mechanism is efficient at all inclinations investigated (0-30°), suggesting that it could occur during the whole emplacement of a pyroclastic flow. A second study consisted of the vertical release of beds of particles in a static column. Results show that the granular mixture can be fully fluidized, even when collapsing from a relatively low height (20 cm). When particles are fine enough (<100 μm), pore pressure in the deposit diffuses for several seconds, the diffusion duration increasing with increasing bed thickness and decreasing particle size. The longest diffusion durations are observed for pyroclastic flow deposit materials (~30 s for 28.5 cm thick beds). These results suggest that pyroclastic flows propagating on irregular terrains can auto-fluidize and preserve low internal friction during their emplacement.

Le Piton de la Fournaise est l'un des volcans les plus actifs au monde. Depuis mi-2003, 14 éruptions sont survenues. Une surveillance en continu de cette période d'intense activité a été réalisée à partir de données ASAR-ENVISAT. Les interférogrammes calculés fournissent un enregistrement précis des déplacements de l'édifice. L'étude a permis de démontrer le fort potentiel de l'InSAR comme outil de surveillance opérationnelle de l'activité du Piton de la Fournaise. De plus, les données InSAR ont été utilisées afin de caractériser les sources des déplacements afin de mieux comprendre la géométrie des systèmes de stockage et les modalités de transfert de magma dans l'édifice. L'analyse des données en utilisant une méthode 3D-MBEM mixtes combinée à une inversion de type Monte-Carlo a été réalisée. La plupart des déplacements co-éruptifs peut être expliquée par l'injection de dykes à pendage 45° à 70° vers l'Est ou sub-verticaux s'enracinant sous le cône sommital vers 1500 m d'altitude.

Le phénomène de dégazage permanent observé sur le volcan Erebus s'accompagne d'une variation cyclique de la composition des gaz et du niveau de son lac de cratère que nous nous sommes proposé de modéliser en partant de l'hypothèse que ces fluctuations sont causées par l'arrivée de batch de magma naissant à faible profondeur, ascendant dans un conduit à travers duquel percole un flux continu de gaz dont l'origine est plus profonde. Nous avons tout d'abord montré par simulation numérique que la vigueur de la convection observée en surface ne pouvait être expliquée par la seule convection thermique d'un mélange liquide-cristaux. Si une alimentation continue en magma et gaz dans un système ouvert permet de simuler un comportement pulsatif de la surface, cet apport doit être suffisamment important pour que les changements de vitesse de surface ainsi générés puissent être appréciés. Le conduit doit avoir un diamètre suffisant large pour assurer la pérennité de la convection et maintenir le magma au-dessus de sa température de transition vitreuse. La présence de cristaux accélère la convection et améliore l'efficacité du transfert de chaleur entre les régions inférieures et supérieures du système magmatique ; ces cristaux se déposent dans le fond de la chambre pour former une couche de forte concentration d'une dizaine de mètres d'épaisseur. L'introduction de deux batch de magma d'origines différentes a permis de mettre en évidence combien leur composition et le comportement du lac de lave étaient sensibles à la température à laquelle ces batch sont générés. D'autre part, un batch ne contribuera au budget de dégazage dans des proportions consistantes avec les observations que si un seuil de flottabilité suffisant a été atteint. Dans le cas contraire, la migration d'une quantité de magma nécessaire à ce dégazage ne pourrait se faire que dans un conduit de très grand diamètre. Les paramètres physiques de la croute qui se forme lors du refroidissement de la surface du lac de lave, tels que son épaisseur et sa perméabilité, influent sur sa capacité à se déformer sous la pression qu'elle piège et à permettre un dégazage de type effusif. Cette pression conditionne à son tour la porosité du magma en surface et éventuellement le degré de dégazage du magma qui redescend vers la chambre magmatique. Cette étude nous a permis de mieux appréhender les mécanismes associés à une éruption de régime effusif et constitue une étape dans la compréhension de la transition à un régime explosif, préoccupation majeure des centres de surveillance volcaniques.

La perméabilité est une propriété essentielle notamment pour déterminer la nature explosive des volcans, ainsi que pour de nombreuses autres applications scientifiques et industrielles dans les environnements où l'écoulement du fluide est une préoccupation majeure. Combinant des méthodes expérimentales de déformation des roches en laboratoire, des approches de terrain, de la modélisation numérique, et des analyses systématiques de microstructure, ce travail a mis en évidence le caractère complexe de la formation et la destruction des réseaux poreux dans le magma et des roches volcaniques. La compétition entre les processus dilatants (qui augmentent la porosité) et compactants (qui la diminuent) exerce une influence sur les propriétés de transport des fluides à la fois dans le magma et dans la roche volcanique solidifiée. Ces processus incluent la vésiculation et la croissance des bulles dans le conduit, la rupture et la compression du magma, la fracturation issue du refroidissement et fracturation induite par le transport, ainsi que la déformation pendant ou après la mise en place des matériaux, et la densification par frittage. / The permeability of various volcanic materials is an essential parameter governing the explosive behaviour of volcanic systems, as well as being important in many other scientific and industrial applications in environments where fluid flow is a major concern. Combining experimental rock deformation methods with field measurements, numerical modelling, and systematic analyses of rock microstructure, this work explores the complexities involved in the formation and destruction of porous networks in magma and volcanic rocks, addressing how permeability can evolve in volcanic systems. Competition between dilatant processes (which increase porosity) and compactant processes (which decrease porosity) influences the fluid transport properties both in the conduit-dwelling magma and in solidified edifice rock. These processes include (but are not limited to) vesiculation and bubble growth in the conduit, fracture and compaction of magma, post-emplacement thermal or mechanical fracturing, strain-induced deformation, and viscous sintering.

Le suivi de la mise en place du magma à faible profondeur et de sa migration vers la surface est crucial pour prévoir les éruptions volcaniques.Avec les progrès récents de l'imagerie SAR et le nombre croissant de réseaux GNSS continus sur les volcans, il est maintenant possible de fournir une évolution continue et spatialement étendue des déplacements de surface pendant les périodes inter-éruptives. Pour les volcans basaltiques, ces mesures combinées à des modèles dynamiques simples peuvent être exploitées pour caractériser et contraindre la mise en pression d'un ou de plusieurs réservoirs magmatiques, ce qui fournit une meilleure information prédictive sur l'emplacement du magma à faible profondeur. L'assimilation de données—un processus séquentiel qui combine au mieux les modèles et les observations, en utilisant parfois une information a priori basée sur les statistiques des erreurs, pour prédire l'état d'un système dynamique—a récemment gagné en popularité dans divers domaines des géosciences. Dans cette thèse, je présente la toute première application de l'assimilation de données en volcanologie en allant des tests synthétiques à l’utilisation de données géodésiques réelles.La première partie de ce travail se concentre sur le développement de stratégies afin d'évaluer le potentiel de l’assimilation de données. En particulier, le Filtre de Kalman d'Ensemble a été utilisé avec un modèle dynamique simple à deux chambres et de données géodésiques synthétiques pour aborder les points suivants : 1) suivi de l'évolution de la pression magmatique en profondeur et des déplacements de surface et estimation des paramètres statiques incertains du modèle, 2) assimilation des données GNSS et InSAR, 3) mise en évidence des avantages ou des inconvénients de l'EnKF par rapport à une technique d'inversion bayésienne. Les résultats montrent que l’EnKF fonctionne de manière satisfaisante et que l'assimilation de données semble prometteuse pour la surveillance en temps réel des volcans.La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'application de la stratégie mise au point précédemment à l’exploitation des données GNSS inter-éruptives enregistrées de 2004 à 2011 au volcan Grímsvötn en Islande, afin de tester notre capacité à prédire la rupture d'une chambre magmatique en temps réel. Nous avons introduit ici le concept de ``niveau critique'' basé sur l’estimation de la probabilité d'une éruption à chaque pas de temps. Cette probabilité est définie à partir de la proportion d'ensembles de modèles qui dépassent un seuil critique, initialement assigné selon une distribution donnée. Nos résultats montrent que lorsque 25 +/- 1 % des ensembles du modèle ont dépassé la surpression critique une éruption est imminente. De plus, dans ce chapitre, nous élargissons également les tests synthétiques précédents en améliorant la stratégie EnKF d'assimilation des données géodésiques pour l'adapter à l’utilisation de données réelles en nombre limité. Les outils de diagnostiques couramment utilisés en assimilation de données sont mis en oeuvre et présentés.Enfin, je démontre qu'en plus de son intérêt pour prédire les éruptions volcaniques, l'assimilation séquentielle de données géodésiques basée sur l'utilisation de l'EnKF présente un potentiel unique pour apporter une information sur l'alimentation profonde du système volcanique. En utilisant le modèle dynamique à deux réservoirs pour le système de plomberie de Grímsvötn et en supposant une géométrie fixe et des propriétés magmatiques invariantes, nous mettons en évidence que l'apport basal en magma sous Grímsvötn diminue de 85 % au cours des 10 mois précédant le début de l'événement de rifting de Bárdarbunga. La perte d'au moins 0.016 km3 dans l'approvisionnement en magma de Grímsvötn est interprétée comme une conséquence de l'accumulation de magma sous Bárdarbunga et de l'alimentation consécutive de l'éruption Holuhraun à 41 km de distance. / Tracking magma emplacement at shallow depth as well as its migration towards the Earth's surface is crucial to forecast volcanic eruptions.With the recent advances in Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) imaging and the increasing number of continuous Global Navigation Satellite System (GNSS) networks recorded on volcanoes, it is now possible to provide continuous and spatially extensive evolution of surface displacements during inter-eruptive periods. For basaltic volcanoes, these measurements combined with simple dynamical models can be exploited to characterise and to constrain magma pressure building within one or several magma reservoirs, allowing better predictive information on the emplacement of magma at shallow depths. Data assimilation—a sequential time-forward process that best combines models and observations, sometimes a priori information based on error statistics, to predict the state of a dynamical system—has recently gained popularity in various fields of geoscience (e.g. ocean-weather forecasting, geomagnetism and natural resources exploration). In this dissertation, I present the very first application of data assimilation in volcanology from synthetic tests to analyzing real geodetic data.The first part of this work focuses on the development of strategies in order to test the applicability and to assess the potential of data assimilation, in particular, the Ensemble Kalman Filter (EnKF) using a simple two-chamber dynamical model (Reverso2014) and artificial geodetic data. Synthetic tests are performed in order to address the following: 1) track the magma pressure evolution at depth and reconstruct the synthetic ground surface displacements as well as estimate non-evolving uncertain model parameters, 2) properly assimilate GNSS and InSAR data, 3) highlight the strengths and weaknesses of EnKF in comparison with a Bayesian-based inversion technique (e.g. Markov Chain Monte Carlo). Results show that EnKF works well with the synthetic cases and there is a great potential in utilising data assimilation for real-time monitoring of volcanic unrest.The second part is focused on applying the strategy that we developed through synthetic tests in order to forecast the rupture of a magma chamber in real time. We basically explored the 2004-2011 inter-eruptive dataset at Grímsvötn volcano in Iceland. Here, we introduced the concept of “eruption zones” based on the evaluation of the probability of eruption at each time step estimated as the percentage of model ensembles that exceeded their failure overpressure values initially assigned following a given distribution. Our results show that when 25 +/- 1% of the model ensembles exceeded the failure overpressure, an actual eruption is imminent. Furthermore, in this chapter, we also extend the previous synthetic tests by further enhancing the EnKF strategy of assimilating geodetic data in order to adapt to real world problems such as, the limited amount of geodetic data available to monitor ice-covered active volcanoes. Common diagnostic tools in data assimilation are presented.Finally, I demonstrate that in addition to the interest of predicting volcanic eruptions, sequential assimilation of geodetic data on the basis of EnKF shows a unique potential to give insights into volcanic system roots. Using the two-reservoir dynamical model for Grímsvötn 's plumbing system and assuming a fixed geometry and constant magma properties, we retrieve the temporal evolution of the basal magma inflow beneath Grímsvötn that drops up to 85% during the 10 months preceding the initiation of the Bárdarbunga rifting event. The loss of at least 0.016 km3 in the magma supply of Grímsvötn is interpreted as a consequence of magma accumulation beneath Bárdarbunga and subsequent feeding of the Holuhraun eruption 41 km away.

le volcanisme alcalin triasique du massif des Ecrins Pelvoux est très ponctuel et se met en place dans un environnement marin sous forme de coulées et de pyroclastites ; l'activité volcanique se poursuit jusqu'à l' Hettangien inférieur en milieu marin plus profond. Les pipes et les dykes d'alimentation N 10 et N ont été observés dans des secteurs recouvrant les sédiments. L'absence de déformation aux épontes des dykes témoigne de l'ascension rapide d'un magma fluide dans des fissures largement ouvertes. Ce volcanisme typiquement alcalin présente un caractère hyperpotassique franc et sa spilitisation est marquée par les minéraux habituelsde la paragenèse basse température. Les seuls minéraux ferromagnésiens-relique sont des olivines, qui par leurs déformations internes et leurs inclusions de spinelles chromifères laissent supposer une origine à partir d'un magma issu de foyers de fusion partielle sous- jacents au niveau de la zone péridotitique . On note en revanche l'absence de reliques de pyroxène ;celle -ci pourrait être attribuée à une fusion congruente ou à tout autre déséquilibre dans les conditions physicochimiques du magma. Le caractère hyperpotassique de ce volcanisme est assez voisln de celui des laves shoshonitiques, mais il n'en a pas la même signification: il est à rattacher à un mécanisme de contamination lors de la traversée d'une épaisse croûte sialique, et en aucun cas à un mécanisme de subduction. Des variations irrégulières du chimisme sont observables à l'intérieur des coulées ; elles évoquent la vidange progressive, mais en un seul épisode d'un réservoir magmatique profond. Les dosages isotopiques réalisés sur des carbonates des sédiments , sur ceux inclus dans les coulées contaminées par les sédiments, et sur les carbonates disséminés dans les filons intrusifs permettent d'observer deux lignées évolutives convergentes depuis des pôles totalement opposés. On peut émettre par conséquent l'hypothèse de deux types de carbone d'origine différente dont l'une serait d'origine mantélique ; ce qui n'exclut pas une mobilisation hydrothermale posterieure. En conclusion. ce volcanisme est géodynamiquement à relier. - soit à la période de prerifting précédant l'ouverture de la future Téthys. - soit à des fissures d'extension résultant d'un système de décrochement dans une compression Nord-Sud, liée à un rejeu de fractures hercyniennes.

Afin de parvenir à une meilleure compréhension des processus d’évolution des magmas réunionnais, nous avons réalisé une étude ayant pour objectifs principaux : (1) la simulation expérimentale du système d’alimentation du Piton de la Fournaise, à partir d’un matériel de départ de composition typique de Steady State Basalt et dans des conditions de pression, température, fO2 et de teneurs en volatils (H2O, CO2) réalistes ; (2) la détermination de la séquence de cristallisation d’échantillons représentatifs des roches plutoniques réunionnaises de façon à les comparer avec les résultats expérimentaux et (3) l’obtention d’une base de données volcanologiques, pétrologiques et géochimiques significative sur le groupe de laves anormales (« Abnormal Group ») permettant de confirmer son existence dans le système d’alimentation du Piton de la Fournaise. La découverte de verres silicatés ayant des compositions caractéristiques de l’Abnormal Group confirme l’implication de ces magmas dans l’activité éruptive. Toutefois, les roches plutoniques n’enregistrent pour la plupart que des séquences de cristallisation témoignant d’une évolution superficielle des magmas. Cette dernière est simulée de façon satisfaisante par les expérimentations réalisées dans la gamme 0.1 à 50 MPa qui conduisent à des modèles pétrologiques et des pressions de stockage en accord avec les données géophysiques. Les expérimentations à plus forte pression démontrent l’existence de paliers au sein du système d’alimentation qui peuvent en grande partie expliquer les diverses compositions réunionnaises, mais posent la question de la composition des magmas parentaux. / To better understand magmatic processes associated with the evolution of La Réunion magmas, we have carried out a multi-approach study aimed at (1) simulating experimentally the feeding system of the Piton de la Fournaise volcano, using a Steady State Basalt starting material and P-T-fO2-Volatiles (H2O, CO2) conditions compatible with the natural system; (2) determining crystallization sequences representative of La Réunion plutonic rocks for comparison with the experimental results and (3) constructing a volcanological, petrological and geochemical database for lavas of the Abnormal Group, to confirm the existence of Abnormal melts in the feeding system of the volcano. The discovery of glasses having chemical characteristics similar to the Abnormal Group establishes the implication of Abnormal melts in eruptive processes. However, plutonic rocks record crystallization sequences that for the most part indicate a low pressure magmatic evolution. Experiments in the pressure range 0.1 to 50 MPa satisfactorily reproduce conditions in the shallow magmatic systems and lead to petrological models and magma storage depths in agreement with geophysical data. Experiments at higher pressures demonstrate transitions in magma fractionation mechanisms in the feeding system that can explain the range of erupted compositions, but call into question the compositions of parental magmas.

Des mélanges de gaz et de particules sont présents dans divers environnements géophysiques. De tels mélanges chauds sont générés par des éruptions volcaniques explosives et comprennent des écoulements de conduit, des jets et des panaches, ainsi que des courants de densité pyroclastiques. La concentration de particules dans ces mélanges volcaniques peut varier fortement, allant de concentrations élevées (>50 % en volume) dans les écoulements denses fluidisés à des concentrations très faibles dans les suspensions diluées dans lesquelles les particules sont mises en suspension par la phase gazeuse turbulente. Une limite de concentration inférieure à ~% en volume dans les suspensions diluées a été suggérée par des études récentes, car des concentrations plus élevées nécessiteraient une énergie cinétique turbulente excessive. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier expérimentalement le comportement d'un écoulement d'air turbulent dans un cylindre avec des concentrations de particules croissantes, pour différents nombres de Reynolds et en utilisant différents types de particules. Les nombres de Reynolds des mélanges gaz-particules dans les expériences atteignaient ~106. Une première série d'expériences a été menée avec des billes de verre de différentes tailles allant de 75-80 μm jusqu'à 2 mm, pour un total de huit tailles de particules. Au-dessus d'un seuil de concentration moyenne de 0.5-3 % en volume, qui augmentait avec le nombre de Reynolds, le comportement de l'écoulement a montré une transition d'une suspension homogène de particules (sous la concentration maximale) vers une séparation en une partie basale dense et une partie supérieure diluée contenant la concentration maximale des particules. Ce seuil de concentration a été détecté à l'aide de mesures de pression et d'une méthode impliquant une sphère dont la densité était légèrement inférieure à la densité apparente des particules et qui pouvait donc flotter au-dessus de la partie basale dense, si celle-ci était présente. Des vidéos à haute vitesse ont révélé que l'apparition de la concentration maximale de particules coïncidait avec l'émergence d’amas de particules dans la partie turbulente diluée. Dans une deuxième partie de la thèse, les expériences ont été répétées pour cinq gammes de tailles de particules de céramique et elles ont révélé le même comportement général que pour les billes de verre. Pour les deux types de particules, une concentration maximale a pu être détectée pour presque toutes les tailles de particules et a montré une augmentation avec le nombre de Reynolds à la puissance 1/5 (billes de verre) ou 0.4 (billes de céramique). Compte tenu du nombre de Reynolds des particules, la concentration maximale des particules augmente ensuite jusqu'à la puissance de 1/6 pour les particules de céramique et de verre. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives sur la structure des mélanges gaz-particules volcaniques et ils fournissent également des contraintes pour les données d'entrée et de sortie des simulations numériques et pour les observations géophysiques. / Mixtures consisting of gas and particles can be found in various geophysical environments. Hot mixtures are generated by explosive volcanic eruptions and include conduit flows, jets and buoyant plumes, and pyroclastic density currents. The particle concentration within these volcanic mixtures can vary highly, from high concentrations (>50 vol. %) in dense fluidized flows to very low concentrations in dilute suspensions in which the particles are suspended by the turbulent gas phase. A concentration limit of less than ~1 vol. % in dilute suspensions was suggested by recent studies, as higher concentrations would require excessive turbulent kinetic energy. The main objective of this thesis was to investigate experimentally the behavior of a turbulent air flow in a pipe with increasing particle concentrations, for different Reynolds numbers and using different types of particles. The Reynolds numbers of the gas-particle mixtures in the experiments were up to ~106. A first set of experiments was conducted with glass beads of varying sizes from 75-80 μm up to 2 mm, for eight particle size ranges in total. Above a bulk concentration threshold of ~0.5-3 vol. %, which increased with the Reynolds number, the flow behavior changed from a homogeneous suspension of particles (below the maximum concentration) to a separation into a dense basal part and an upper dilute part carrying the maximum concentration of particles. This concentration threshold was detected with pressure measurements and a method that involved a ball of a slightly lower density than the bulk density of the particles, which could thus float over the dense basal part, if present. High-speed videos revealed that the occurrence of the maximum particle concentration coincided with the emergence of particle clusters in the dilute turbulent part. In a second part of the thesis, the experiments were repeated for five ceramic particle size ranges and they yielded the same general behavior as for the glass beads. For both types of particles, a maximum concentration could be detected for almost all particle size ranges and showed an increase with the mixture Reynolds number to the power 1/5 (glass beads) or 0.4 (ceramic beads). Considering the particle Reynolds number the maximum particle concentration then increase to the power 1/6 for both ceramic and glass particles. These results give new insights about the structure of volcanic gas-particle mixtures and they also provide constraints for input and output data of numerical simulations and for geophysical observations.