Etude de systèmes hydrothermaux de volcans actifs : Misti (Pérou) et Stromboli (Italie) ; Approches géophysiques et géochimiques. Ce mémoire présente une nouvelle méthodologie d'étude des systèmes hydrothermaux appliquée aux volcans Misti (Pérou) et Stromboli (Italie), par couplage de méthodes géophysiques (Polarisation Spontanée : PS) associées aux circulations d'eau et géochimiques (gaz du sol : CO2) associées aux remontées de gaz. A l'échelle de l'édifice volcanique, l'analyse des relations PS/altitude sur des profils radiaires permet de réaliser une cartographie précise des variations des processus d'électrofiltration au sein de l'édifice correspondant à des variations latérales de lithologie (ex: Misti). La méthode des gaz du sol couplée à la méthode PS a montré que des phénomènes de scellage coïncident avec l'extension des systèmes hydrothermaux (ex : Misti et Stromboli). Ces phénomènes ont été identifiés par des concentrations en CO2 proches des valeurs atmosphériques à l'intérieur du système hydrothermal délimité en PS, et par un dégazage significativement plus élevé à l'extérieur du système hydrothermal. Dans le cadre des études réalisées à Stromboli, nous avons mis en évidence que les limites structurales d'origine volcanique, relativement superficielles, telles que des limites de caldeira ou de cratère, constituent des zones préférentielles de drainage des fluides. A plus de 300 mètres des cratères actifs, ce phénomène se matérialise par une corrélation négative entre minima PS et pics de CO2, indiquant des descentes hydriques associées à des remontées de gaz, alors qu'à proximité des sources thermiques, une corrélation positive entre maxima PS et pics de CO2 prend le pas sur la précédente, indiquant à la fois des remontées de gaz et de vapeur d'eau. Toutefois, dans les deux cas, ces anomalies toujours localisées le long de limites structurales sont particulièrement réduites (40-80 m de largeur) et nécessitent pour être mises en évidence un pas d'échantillonnage resserré (<= 20 m). A l'échelle de l'édifice du Stromboli, les failles régionales, exemples de structures plus profondes, se manifestent uniquement par des anomalies de CO2. Près des zones actives, l'analyse des anomalies PS de courte longueur d'onde (5-10 m) permet de suivre le cheminement du réseau hydrique superficiel drainant les fluides depuis les anomalies thermiques en direction du minimum topographique.

Les volcans boucliers basaltiques se déforment sous leur propre poids, tout particulièrement en période d'éruption. A Hawaii, cette déformation co-éruptive est en majeure partie expliquée par un plan de décollement à la base des édifices, dont le glissement serait associé à la force de poussée des intrusions dans les " rift zones " (i.e. concentration de dykes subverticaux dans les zones de faiblesse de l'édifice). Cependant, cette explication n'est pas valable pour beaucoup d'autres volcans basaltiques, où l'existence d'un décollement est peu probable. Nous avons profité de l'incision intense du Piton des Neiges (La Réunion) par l'érosion pour observer la structure interne d'un volcan basaltique, et comprendre, par le terrain et la modélisation numérique, comment la déformation d'un tel édifice s'articule avec son activité magmatique. Notre étude structurale révèle que trois populations d'intrusions perpendiculaires (deux subverticales et une subhorizontale) coexistent, et que les principales zones de faiblesses sont des " sill zones " (i.e. concentrations d'intrusions subhorizontales), Parallèlement, notre étude des déformations, essentiellement cassantes, révèle que deux extensions perpendiculaires dominent dans l'édifice, avec l'apparition de régimes localement décrochants et même compressifs à proximité des sill zones. Les directions de déformations et les directions d'intrusions sont compatibles et coïncident aussi avec la direction d'écoulement des grandes avalanches de débris qui ont affectée le Piton des Neiges au cours de son histoire. A partir de ces données de terrain, nous proposons un modèle de déformation du Piton des Neiges où les intrusions dans l'édifice génèrent des cycles de permutations de contraintes. Le stade ultime de chaque cycle serait la mise en place de sills en régime compressif. En testant numériquement l'effet de telles injections sur la déformation d'un édifice, nous montrons que les sills peuvent être un facteur majeur d'instabilité, capable de conduire à des déstabilisations de flanc telles que les avalanches observées. Notre modèle conceptuel, déduit du terrain et quantifié par la modélisation, constitue ainsi une alternative au modèle de déformation hawaiien, applicable sur des édifices tels que le Piton de la Fournaise (La Réunion), Tenerife (Canaries) et Fernandina (Galapagos). Notre étude démontre enfin l'intérêt essentiel d'étudier les systèmes anciens pour mieux comprendre les volcans actifs.

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

Au cours de cette thèse, nous avons étudié le rôle des éléments alcalins et de l'eau sur les propriétés et la structure des aluminosilicates vitreux et fondus. Ces compositions sont importantes pour les sciences de la Terre et pour l'industrie des verres, vitrocéramiques et céramiques. La viscosité de ces compositions alcalines fondues a été mesurée, et leurs structures à courte et moyenne distances ont été étudiées dans les verres à l'aide des spectroscopies Raman et RMN. Les résultats obtenus montrent que la viscosité des aluminosilicates fondus est fortement dépendante de l'élément alcalin M présent dans le réseau, du rapport M/Al et du rapport Si/Al. La structure du réseau vitreux change en fonction du cation M. Plus son rayon ionique est élevé, plus il distord le réseau, et plus la viscosité augmente. Les tectosilicates de potassium vitreux sont ainsi composés de zones enrichies en silice, et de zones enrichies en aluminium et en potassium. Le potassium pourrait être présent dans des chenaux dans ces compositions. Les ions potassium et sodium, ayant des coordinences différentes, ne se mélangent pas aléatoirement dans les tectosilicates vitreux et fondus, induisant de fortes variations de leurs propriétés rhéologiques. Nous avons mis en place un protocole, basé sur la spectroscopie Raman, permettant de mesurer la concentration et la spéciation de l'eau dissoute dans un aluminosilicate vitreux ou fondu, quelque soit sa composition chimique. Ce protocole permet d'observer les liaisons entre l'eau et le réseau silicaté, et les résultats obtenus confirment le caractère amphotérique de l'eau dissoute dans les aluminosilicates vitreux et fondus. En combinaison avec la mise en place de modèles ad hoc de viscosité des magmas et avec l'utilisation de résultats apportées par la géochimie et la géologie, l'application de cette technique à l'étude de ponces volcaniques permet d'apporter des informations quant aux mécanismes intervenant lors des éruptions volcaniques. Cette approche globale nous a permis de mieux caractériser les processus de fragmentation ayant eu lieu lors des éruptions de 3.1 Ma du Mont Dore (France) et de 79 AD du Vésuve (Italie), ainsi que le processus de convection du magma de l'Erebus (Antarctique).