Plusieurs volcans andésitiques dans le monde connaissent des périodes d’activité en système ouvert pendant plusieurs années, décennies voire siècles, qui sont caractérisées par des manifestations éruptives persistantes d’intensité fluctuante et ponctuées de phases explosives violentes et dangereuses, souvent accompagnées d’écoulements pyroclastiques. La compréhension de la dynamique et de l’origine de ces paroxysmes en système ouvert est un enjeu majeur de la recherche volcanologique dans le but d’améliorer la surveillance de ce type d’activité. Le Tungurahua en Equateur est un excellent exemple pour étudier un système andésitique ouvert : entré en activité en 1999, le volcan a connu une phase paroxysmale en août 2006, avec l’émission d’un panache éruptif de 15 km de hauteur et la mise en place d’écoulements pyroclastiques. Les objectifs de cette thèse sont, à partir de l’étude du dépôt de retombée, d’explorer la dynamique d’un volcan andésitique fonctionnant en système ouvert en étudiant le cas du paroxysme explosif du Tungurahua et de développer une méthode de suivi haute-résolution des budgets éruptifs massiques, transposable à différentes phases éruptives et différents volcans. A l’aide d’une déconvolution automatique des distributions granulométriques bimodales du dépôt, deux sous-populations ont été caractérisées et quantifiées. Ces dernières reflètent la syn-sédimentation de particules grossières depuis le panache éruptif, et de particules fines depuis des nuages co-écoulements pyroclastiques. Cette analyse granulométrique couplée à l’étude de l’amincissement du dépôt indiquent un volume total minimum de 42×106 m3 et un panache de 16-18 km au dessus du cratère. Cette éruption est classée comme une VEI 3 de type subplinien. Un nouveau protocole d’analyses de type et densité de clastes révèle une distribution sigmoïdale des densités des particules vésiculées avec la granulométrie. Cette loi empirique permet de déterminer la charge massique de chaque classe de constituants latéralement dans le dépôt à partir des données de comptage de grains. L’intégration des lois de décroissance massique exponentielle et puissance de chaque classe de constituant dans le dépôt permet d’estimer leur masse totale. Ces budgets massiques indiquent une magnitude~3,5 et une intensité ~9,2. La faible masse de ponces acides (<0.4 wt.%) exclus une origine par mélange de magma. Une proportion de ~98 wt.% et la faible densité de produits juvéniles révèle le caractère magmatique de l’éruption et l’absence d’interactions phréato-magmatiques. Les xénoclastes témoignent d’une fragmentation et d’une érosion des 2 km supérieurs du conduit. Des analyses morphologiques de particules menées avec un outil automatique et innovant (Morphologi G3 de Malvern) montrent le caractère hautement vésiculé des particules juvéniles et la faible viscosité de la lave. L’explosivité élevée d’août 2006 apparaît comme une manifestation extrême d’un système ouvert alimenté par des injections irrégulières de magma andésitique profond. L’activité du Tungurahua depuis 1999 définit un système caractérisé par un conduit très ouvert, une lave peu visqueuse et un dégazage par le biais d’explosions stromboliennes de faibles à hautes intensités. La méthode de détermination des budgets éruptifs est un atout majeur pour le suivi et la surveillance des phases éruptives en système ouvert. / Many andesitic volcanoes at subduction plate margins can experience in the course of their evolution periods of continuous eruption during years, decades, or centuries characterized by a fluctuation of the activity interrupted by explosive events of varying size and duration, with possible production of pyroclastic density currents. Magmatic activity lasts for long periods of time before violent explosive eruptions occur, which makes the forecasting of such events a real challenge. I focus on the case of Tungurahua, one of Ecuador’s most active volcanoes, which started an open-vent eruptive period in 1999. The paroxysmal phase occurred in August 2006 and resulted in a sustained eruption column associated with pyroclastic flows and surges. From the study of the tephra fall deposit, the aims of this work are to understand the origin and the dynamics of the August 2006 explosive paroxysmal phase and to develop a transposable method of high-resolution analysis of eruptive mass budgets. Based on a new grainsize deconvolution algorithm, two subpopulations of grains were distinguished, characterized and quantified in the bimodal distributions of the tephra fall deposit. These subpopulations result from the syn-deposition of coarse grains from the main volcanic plume and fine-grained ash elutriated from pyroclastic flows. A bulk minimum tephra volume ~42×106 m3 and a column height of 16-18 km above the vent are assessed. These data support a VEI 3 event of subplinian type. Detailed componentry counting and particle density analyses allow to propose a sigmoidal law to describe the particle density variations with grainsize of vesicular grains. This law is used to calculate the mass per unit area of the componentry classes laterally in the deposit, from the results of the componentry analyses. Integrating the mass decay rates of the componentries in the deposit, we infer their total mass. Results point to a mass magnitude of~3.5 and an intensity of ~9.2. The pumice mass fraction is far too small (< 0.4 %) to account for the high explosivity of the 2006 event. The high juvenile content in the deposit (~98 wt.%)supports a magmatic origin of the eruption, and no phreatic influence on the overall explosivity. The nature and content of non-magmatic material imply that fragmentation and erosional behaviour occurred in the upper ~2 km of the plumbing system. Morphological analyses performed with Morphologi G3 instrument (Malvern) show a high vesicularity of the products and a low viscosity of the lava. These results support an explosive event fed by a deep gas-rich andesitic reinjection, which would have incorporated a pocket of older differentiated magma and eroded the upper conduit during the sub-plinian event. Tungurahua activity describes a eruptive system characterized by an open-vent, a low lava viscosity and a degassing behaviour through strombolian explosions of weak to high intensity. The high-resolution mass-based approach reveals useful to decipher the origin of the violent 2006 paroxysm and has potential to improve magnitude determinations of ancient eruption by considering componentry mass instead of volume. It is also applicable for monitoring purposes in the context of on-going crises at many andesitic eruptive worldwide.

L'activité des volcans andésitiques, tels que le Mont St Helens (États-Unis), Montserrat (Antilles) ou encore le Merapi (Indonésie), alterne entre des périodes relativement calmes, avec coulées de lave et formation d'un dôme, et des événements explosifs parfois très violents. Prévoir les transitions entre ces deux régimes est essentiel pour assurer la sécurité des populations voisines, mais demeure actuellement un vrai défi. Or les données expérimentales et les observations de terrain montrent que l'explosivité du magma est étroitement liée à son contenu en gaz. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension de l'évolution de ce contenu en gaz et de son influence sur l'activité volcanique, en nous appuyant sur des simulations numériques, l'analyse de données expérimentales ainsi que sur l'interprétation de données de déformation enregistrées au Merapi.Une part importante de ce travail réside dans le développement et l'amélioration de modèles d'écoulement en 2D pour prendre en compte le dégazage dans la partie supérieure du conduit, en régime transitoire. Nous présentons un modèle d'écoulement du gaz en temps qui tient compte des pertes en gaz aux bords du conduit et à sa sortie, selon les conditions présentes dans la roche encaissante et le dôme. Nous proposons également une adaptation des modèles de conduit permettant de coupler complètement l'écoulement du gaz avec celui du magma pour étudier l'évolution des conditions dans le conduit en régime transitoire. À partir de simulations de l'évolution du dégazage lors de l'emplacement d'un dôme, nous identifions les para-mètres contrôlant les pertes en gaz. Nos résultats montrent que ces pertes sont extrêmement sensibles à l'évolution de la perméabilité du magma et des gradients de pression autour du conduit en réponse au poids du dôme. La perméabilité du dôme a quant à elle peu d'influence. Au cours de la croissance du dôme, les pertes en gaz diminuent en profondeur. En haut du conduit, la pression du gaz augmente de quelques dizaines de MPa. Ces effets sont associés à une augmentation de l'explosivité du magma et de l'aléa volcanique en cas d'effondrement du dôme.Bien que la perméabilité du magma exerce un fort contrôle sur la perte de gaz, comme l'ont montré nos résultats, son évolution dans le conduit est peu contrainte. Les lois de perméabilité utilisées actuellement ne sont pas en accord avec l'ensemble des mesures réalisées sur des échantillons de magmas riches en silice. Dans le but d'améliorer notre compréhension du développement de la perméabilité dans le conduit, nous avons cherché à éclaircir le lien entre perméabilité, conditions d'écoulements, et caractéristiques géométriques du réseau de bulles connectées. Nous proposons une formulation du seuil de percolation, moment exact où le magma devient perméable compatible avec un grand nombre d'échantillons naturels et expérimentaux. Nous présentons aussi une nouvelle loi de perméabilité en accord avec la plupart des observations existantes, que nous avons intégrée à notre modèle 2D de dégazage. Nos résultats montrent qu'en fonction du nombre de bulles dans le magma et de la distribution de leurs tailles, l'importance des pertes en gaz et par conséquent les conditions d'écoulement dans le conduit varient d'effusives à explosives.Enfin, afin d'évaluer l'utilité des données de déformation pour suivre l'évolution des conditions d'écoulement, nous utilisons des modèles d'écoulement simples couplés à de la déformation élastique en 3D pour retrouver la déformation observée au sommet du Merapi peu avant l'éruption de 2006. Bien que ces modèles permettent de mieux comprendre les déplacements observés, le peu de données, associé à la complexité géologique et rhéologique du sommet, ainsi qu'à celle des processus physiques intervenant dans le conduit font qu'il est difficile de contraindre les conditions d'écoulement grâce à la déformation dans ce cas précis. / At silicic volcanoes, such as Mount St Helens (United States), Montserrat (British West Indies), or Merapi (Indonesia), periods of relative quiescence, with lava flows and dome emplacement, alternate with explosive, sometimes very violent events. Forecasting the effusive/explosive transitions, which is essential for the safety of nearby populations, remains currently a real challenge. However, experimental as well as field observations provide evidence that magma gas content is a major clue for understanding explosivity. This thesis, based on numerical simulations, experimental samples analysis, as well as on the interpretation of ground deformation data recorded at Merapi volcano, aims at improving our understanding of gas loss evolution, and its impact on the eruptive regime.A major part of this work consisted in developing and improving 2D axisymmetric conduit flow models for integrating gas loss in transient conditions. We provide a time-dependent model for gas flow in the upper conduit, that accounts for gas loss both at the conduit walls and at its top, depending on conditions in the surrounding rock and dome. We also propose an adaptation of conduit flow models allowing for full coupling between magma and gas flow in 2D that should be used to further investigate flow conditions evolution during transient regimes. From time-dependent gas flow simulations in the case of an effusive dome emplacement, we identify controlling parameters for gas loss. Our results provide evidence that gas loss is extremely sensitive to the evolution of magma permeability and of pressure gradients around the conduit due to dome loading, whereas, contrary to the common idea, dome permeability has almost no influence. Along with dome growth, gas loss decreases at depth, thus causing an increase in the magma gas content. At the top of the conduit, this results in an increase in gas pressure by a few tens of MPa, thus increasing the likelihood of magma explosivity and hazard in the case of a rapid decompression due to dome collapse.Although magma permeability plays a major role for gas extraction, as revealed by our results, its evolution within the conduit is poorly constrained. Currently used permeability laws fail in reassembling the whole dataset of permeability measurements from natural and experimental silicic samples. In order to improve our understanding of permeability development in the conduit, we worked on linking permeability and flow conditions with geometrical parameters that characterise the connected bubble network, based on experimental samples analysis. We propose an expression for the percolation threshold, i.e. the very moment when magma becomes permeable, that succeeds in classifying a wide dataset of natural and experimental samples. We also develop a new permeability law that reassembles most of the existing observations, and implement it within our gas flow 2D model. Results show that depending on the number of bubbles within the magma and on their size distribution, gas loss and then magma flow conditions evolve from effusive to explosive conditions.Eventually, we evaluate the applicability of monitoring flow conditions from observed ground deformation by using simplified conduit flow models, coupled with elastic deformation in 3D, to interpret ground deformation recorded in the near field at Merapi a few days before the 2006 eruption. Although conduit flow models provide important clues for interpreting observed displacements, the sparsity of field observations together with the complexity of the volcano summit geology, rheology and processes happening in the conduit make it very complex to constrain flow conditions from observed deformation.

The Station Creek Igneous Complex (SCIC) is one of the largest Middle-Late Triassic plutonic bodies in the northern New England Orogen of Eastern Australia. The igneous complex comprises of five plutons - the Woonga Granodiorite (237 Ma), Woolooga Granodiorite (234 Ma), Rush Creek Granodiorites (231 Ma) and Gibraltar Quartz Monzodiorite and Mount Mucki Diorite (227 Ma respectively), emplaced as high-level or epizonal bodies within the Devonian-Carboniferous subduction complex that resulted from a westward subduction along the east Australian margin. Composition of the SCIC ranges from monzogabbro to monzogranite, and includes diorite, monzodiorite, quartz monzodiorite and granodiorite. The SCIC has the typical I-type granitoid mineralogy, geochemistry and isotopic compositions. Its geochemistry is characteristics of continental arc magma, and has a depleted-upper mantle signature with up to 14 wt% supracrustal components (87Sr/86Srinitial = 0.70312 to 0.70391; Nd = +1.35 to +4.9; high CaO, Sr, MgO; and low Ni, Cr, Ba, Rb, Zr, Nb, Ga and Y). The SCIC (SiO2 47%-76%) has similar Nd and Sr isotopic values to island-arc and continentalised island-arc basalts, which suggests major involvement of upper mantle sourced melts in its petrogenesis. SCIC comprises of two geochemical groups - the Woolooga-Rush Greek Granodiorite group (W-RC) and the Mount Mucki Diorite-Gibraltar Quartz Monzodiorite group (MMD-GQM). The W-RC Group is high-potassium, calc-alkalic and metaluminous, whereas the MMD-GQM Group is medium to high potassium, transitional calc-alkalic to tholeiitic and metaluminous. The two geochemical groups of the SCIC magmas are generated from at least two distinct sources - an isotopically evolved Neoproterozoic mantle-derived source with greater supracrustal component (10-14 wt%), and an isotopically primitive mafic source with upper mantle affinity. Petrogenetic modeling using both major and trace elements established that the variations within respective geochemical group resulted from fractional crystallisation of clinopyroxene, amphibole and plagioclase from mafic magma, and late fractionation of alkalic and albitic plagioclase in the more evolved magma. Volcanic rocks associated with SCIC are the North Arm Volcanics (232 Ma), and the Neara Volcanics (241-242 Ma) of the Toogoolawah Group. The major and trace element geochemistry of the North Arm Volcanics is similar to the SCIC, suggesting possible co-magmatic relationship between the SCIC and the volcanic rock. The age of the North Arm Volcanics matches the age of the fractionated Rush Creek Granodiorite, and xenoliths of the pluton are found within epiclastic flows of the volcanic unit. The Neara Volcanics (87Sr/86Sr= 0.70152-0.70330, 143Nd/144Nd = 0.51253-0.51259) differs isotopically from the SCIC, indicating a source region within the HIMU mantle reservoir (commonly associated with contaminated upper mantle by altered oceanic crust). The Neara Volcanics is not co-magmatic to the SCIC and is derived from partial melting upper-mantle with additional components from the subducting oceanic plate. The high levels emplacement of an isotopically primitive mantle-derived magma of the SCIC suggest periods of extension during the waning stage of convergence associated with the Hunter Bowen Orogeny in the northern New England Orogen. The geochemical change between 237 to 227 Ma from a depleted-mantle source with diminishing crustal components, to depleted-mantle fractionate, reflects a fundamental change in the source region that can be related to the tectonic styles. The decreasing amount of supracrustal component suggests either thinning of the subduction complex due to crustal attenuation, leading to the late Triassic extension that enables mantle melts to reach subcrustal levels.