La présence à l'affleurement de roches à texture grossière, en volumes certes faibles, apparaît être un point commun à nombre d'édifices volcaniques intraplaques océaniques. Ainsi, des roches plutoniques/intrusives de textures et de géochimies très variées (cumulats ou non, tant sous-saturées que sursaturées en silice, mafiques aussi bien que felsiques) ont été décrites par exemple au Piton des Neiges et au Piton de la Fournaise (île de la Réunion), aux îles Marquises, en Islande, dans les îles Hawaii, les îles Canaries ou dans l'archipel des Kerguelen. Dans l'archipel volcanique intraplaque océanique de la Société (Polynésie française), la présence de roches intrusives à texture grossière (roches grenues ou pegmatitoïdiques) au sein des édifices est connue depuis le milieu du XIXème siècle. Elles ont été identifiées en place dans les îles de Tahiti (Tahiti Nui et Taiarapu), Raiatea, Tahaa, Bora Bora et Maupiti, et sous forme de blocs dans les îles de Moorea et Huahine. Le présent travail constitue la première étude synthétique des roches à texture grossière des îles de la Société. Il s'appuie sur des observations de terrain et un échantillonnage effectués sur les massifs grenus et pegmatitoïdiques des îles de Tahiti Nui (massif de Ahititera), Raiatea (massif de la Vallée de Faaroa), Bora Bora (intrusion de la Cloche de Hiro) et Maupiti (deux intrusions: le Faataufi et la Barque de Hiro). Même si chaque intrusion possède ses caractères propres qui permettent d'y étudier des problèmes particuliers, cette étude a conduit à constituer deux groupes au sein de ces cinq intrusions, chacun d'entre eux étant défini par des caractéristiques spécifiques ayant trait à la morphologie, à la lithologie et au mode de mise en place des roches. Le premier groupe comprend les deux grands massifs lithologiquement complexes de Tahiti Nui et de Raiatea; le second réunit les trois intrusions de petite dimension de Maupiti et Bora Bora. o Le massif de Ahititera (Tahiti Nui) affleure sur plus de 3 km2 dans le centre de la dépression en forme de fer à cheval de 8 km de diamètre qui occupe le cœur de l'île. Les sept types pétrographiques qui le constituent sont associées en trois ensembles distincts: les cumulats clinopyroxénolitiques et les gabbros forment un groupe faiblement sous-saturé en silice; les hornblendites à texture de cumulat, les théralites, les essexites et les (monzo-)syénites néphéliniques constituent un second groupe plus fortement sous-saturé. Les syénites sont à classer à part, car ces roches se sont mises en place sous la forme d'une petite intrusion en marge du massif de Ahititera. Les deux ensembles principaux se sont formés en deux stades distincts: entre 1 et 0,8 Ma pour les gabbros et les clinopyroxénolites; entre 0,60 et 0,39 Ma dans le cas des roches fortement sous-saturées, mises en place de manière "emboîtée" par rapport au premier massif, à la fin de la phase de construction du second volcan bouclier tahitien. L'intrusion de ce dernier ensemble pétrographique, à faible profondeur, est une cause possible de la déstabilisation du flanc nord de l'édifice volcanique qui a précédé le glissement gravitaire du secteur du volcan situé à l'aplomb du massif grenu. Nous considérons qu'un tel glissement sectoriel est probablement à l'origine de la formation de la caldeira centrale de Tahiti Nui et des dépôts d'avalanche de débris, dont l'épaisseur peut atteindre 500 m, qui en occupent le fond et remplissent en partie la Vallée de la Papenoo jusqu'à la côte nord de Tahiti. o Le massif grenu observable à Raiatea affleure sur 1,04 km2 au centre de la caldeira emboîtée en forme de fer à cheval de Faaroa (5,2 km de diamètre), qui occupe la moitié méridionale de l'île. L'intrusion, peut être également zonée, s'est mise en place à la fin de la phase de construction du volcan bouclier de Raiatea (avant 2,53 Ma). Elle associe deux types de roches mafiques: des gabbros, qui peuvent être considérés comme des équivalents grenus de basaltes alcalins de l'île, et des théralites (volumétriquement largement majoritaires) qui sont chimiquement distinctes des roches mafiques effusives de Raiatea. o L'intrusion de la Cloche de Hiro affleure à l'ouest de l'île de Bora Bora. Il s'agit d'un dyke épais (250 m x 120 m) qui s'est mis en place antérieurement à la formation de la caldeira et qui est recoupé transversalement par la faille bordière de cette structure. L'intrusion est formée de roches de composition basaltique à intermédiaire, à texture majoritairement pegmatitoïdique. Dans le détail, ce dyke apparaît chimiquement et texturalement zoné, depuis les parties périphériques jusqu'à la zone axiale. L'état d'évolution des roches est fortement connecté à l'évolution texturale progressive (depuis des texture hétérogranulaires jusqu'à des pegmatitoïdes). La richesse en eau du magma au moment de la mise en place est à l'origine de la texture pegmatitoïdique ainsi que, vraisemblablement, à celle du processus de cristallisation fractionnée in situ qui a conduit à la zonation chimique de l'intrusion. o Géochimiquement distinctes entre elles et différentes des roches mafiques effusives de Maupiti, les deux intrusions du Faataufi et de la Barque de Hiro affleurent dans le quart nord-ouest de l'île. Si l'intrusion du Faataufi (exposée sur 160 x 45 m) présente une géométrie mal contrainte, celle de la Barque de Hiro montre clairement une structure de dyke épais (300 x 60 m). Dans les deux cas, la roche dominante est un gabbro non-cumulatif. L'originalité majeure des roches grenues de Maupiti réside en la présence d'H.T.I. (High Temperature Iddingsite), qui fait l'objet d'une étude structurale et cristallochimique spécifique. Cette étude nous conduit à interpréter l'H.T.I. comme une forme oxydée (présence de Fe3+) et hydroxylée (incorporation de OH-) de l'olivine. Ces transformations se produisent dans les stades précoces de l'histoire de la cristallisation des gabbros. Elles sont probablement à mettre en relation avec des conditions de fugacité d'oxygène temporairement anormalement élevées et pourraient être connectées à l'apparition de structures de différenciation interne (poche hawaiitique à texture pegmatitoïdique). Les variations (sur une large gamme) du degré d'hydroxylation/oxydation de l'olivine conduit à l'apparition au sein des deux massifs de Maupiti d'une "série continue" de faciès d'H.T.I., entre des couronnes fines ceinturant des cœurs d'olivine fraîche (un faciès déjà décrit dans la littérature dans le cas de roches effusives) et des "noyaux" de composition fayalitique au sein des cristaux d'olivine (cette dernière forme n'avait jamais été décrite jusqu'à présent). Chacun des cinq massifs ou intrusions étudiés dans le cadre de ce travail possède une ou des "affinité(s)" texturale(s) qui permettent de le démarquer des autres. La variété texturale est telle qu'il est ainsi possible de recouvrir l'ensemble des types de textures grossières mentionnés dans la littérature. Ceci nous conduit à proposer une première classification (tétraédrique) semi-quantitative mettant en connexion les textures grossières non-cumulatives (textures granulaires et doléritiques) et les pegmatitoïdes en s'appuyant sur l'étude cristallographique d'échantillons sélectionnés provenant des cinq massifs de l'Archipel de la Société.

Ce mémoire est consacré à la modélisation mathématique de quelques problèmes environnementaux. Ces travaux couvrent des thématiques allant des vagues jusqu'aux avalanches de neige poudreuse. Cette habilitation se compose de trois parties. La première partie est essentiellement introductive et contient également la description complète des mes activités de recherche. Les travaux scientifiques en lien avec la théorie des vagues sont regroupés dans la partie II. Le spectre des sujets abordés est large. Dans le chapitre 3 nous proposons un Lagrangien généralisé pour le problème des vagues. Cette généralisation permet d'obtenir de nouveaux modèles approchés des vagues dans l'eau profonde, peu profonde ou en profondeur intermédiaire. Dans le même chapitre nous étudions également quelques questions liées à la dissipation visqueuse de l'intumescence. Le chapitre 4 traite de différents aspects de la modélisation des tsunamis. Nous étudions toute la gamme des processus physiques de la génération, transformations d'énergie, propagation jusqu'à l'inondation des côtes. Le chapitre 5 est spécialement dédié aux différents aspects de la simulation numérique et de la modélisation d'inondation. Ces questions sont traitées par différentes approches: les équations de Saint-Venant, les équations de type de Boussinesq et le système de Navier-Stokes bi-fluide. Dans la partie III nous nous intéressons à deux problèmes relevant principalement des écoulements multi-fluides. Le chapitre 6 contient la justification formelle du modèle bifluide à quatre équations proposé avant pour la modélisation des écoulements aérés. Quelques résultats numériques sont également présentés. Les calculs similaires effectués dans le cas barotrope sont donnés dans l'appendice A. Ces résultats peuvent s'appliquer, par exemple, à la simulation numérique du déferlement. Finalement, dans le chapitre 7 nous proposons un nouveau modèle pour les avalanches de neige poudreuse. Ce système est dérivé du Navier-Stokes bifluide classique et possède de bonnes propriétés qualitatives. Les simulations numériques d'interaction d'une avalanche avec obstacle sont présentées.

Debris flows, common disturbances in many mountainous areas, initially scour or bury stream habitats; however, debris flows deliver vast amounts of wood, boulders, and gravel that may ultimately form complex stream habitat to potentially support a diverse salmonid assemblage. The materials deposited by debris flows would otherwise be inaccessible to streams, and thus deposits may play an important role in creating and maintaining complex salmonid habitat over time. Despite the potential of deposits for increasing habitat complexity, most fish studies have focused on the destructive effects of debris flows and short-term recovery and re-colonization in scour zones. Debris-flows that occurred during the record-setting winter storms of 1996 in western Oregon, USA, provide an opportunity to study intermediate-term effects of debris-flow deposits on abundances and habitat for juvenile salmonids. In this setting, I surveyed salmonid abundance and habitat in three Oregon Coast Range streams that contained several debris-flow deposits from the 1996 storms. I explained fish abundance using hierarchical models, accounting for heterogeneous detection probabilities with repeated counts from multiple-pass snorkeling. The "best" hierarchical model of detection probability and abundance was selected (QAIC) from pool and snorkel-pass characteristics separately for juvenile coho salmon (Oncorhynchus kisutch), age 0+ trout, and age 1+ trout (Oncorhynchus spp.) in each stream. Adding distance to the nearest 1996 debris-flow deposit (DDF) produced a significant drop-in-deviance for four of nine "best" models, including at least one in each stream and for each species/age-class. In these four models, salmonid abundance decreased with increasing distance from deposit. As a potential explanation, several pool habitat characteristics were correlated (Spearman's rank) with DDF. Results varied across streams, but generally, percent of substrate as bedrock was lower and boulder density and percent substrate as gravel were higher closer to deposits. Although repeat counts are increasingly used in hierarchical modeling of heterogeneous detection probabilities and abundance for other wildlife species, studies of fish often rely on uncalibrated, single-pass snorkel counts. When exploring the value of repeat counts, I found that juvenile salmonid abundance decreased with increasing distance from debris-flow deposits in more multiple-pass hierarchical models that accounted for heterogeneous detection probabilities than for single-pass models that did not. Thus, modeling heterogeneous detection probabilities with repeated snorkel counts may be beneficial in other situations, addressing limitations of uncalibrated indices without relying on methods such as electrofishing, which may be difficult or impossible for remote study areas, longer surveys, or sensitive species. My findings suggest that debris-flow deposits may influence salmonid abundances after 15 years, and support management of debris flow-prone hillslopes and low-order channels to deliver elements of stream habitat complexity. / Graduation date: 2013

Debris flows, which occur in mountain settings worldwide, have been particularly damaging in the glaciated basins flanking the stratovolcanoes in the Cascade Range of the northwestern United States. This thesis contains two manuscripts that respectively investigate the (1) initiation processes of debris flows in these glaciated catchments, and (2) debris flow occurrence and its effect on valley bottoms over the last thousand years. In a 2006 storm, seven debris flows initiated from proglacial gullies of separate basins on the flanks of Mount Rainier. Gully heads at glacier termini and distributed collapse of gully walls imply that clear water was transformed to debris flow through progressive addition of sediment along gully lengths. In the first study, we analyze gully changes, reconstruct runoff conditions, and assess spatial distributions of debris flows to infer the processes and conditions necessary for debris flow initiation in glaciated catchments. Gully measurements suggest that sediment bulking requires steep gradients, abundant unstable material, and sufficient gully length. Reconstruction of runoff generated during the storm suggests that glaciers are important for generating the runoff necessary for debris flow initiation, particularly because infiltration capacities on glacial till covered surfaces well exceed measured rainfall rates. Runoff generation from glaciers and abundant loose debris at their termini explain why all debris flows in the storm initiated from proglacial areas. Proglacial areas that produced debris flows have steeper drainage networks with significantly higher elevations and lower drainage areas, suggesting that debris flows are associated with high elevation glaciers with relatively steep proglacial areas. This correlation reflects positive slope-elevation trends for the Mount Rainier volcano. An indirect effect of glacier change is thus the change in the distribution of ice-free slopes, which influence a basin’s debris flow potential. These findings have implications for projections of debris flow activity in basins experiencing glacier change. The second study uses a variety of dating techniques to reconstruct a chronology of debris flows in the Kautz Creek valley on the southwest flank of Mount Rainier (Washington). Dendrochronologic dating of growth disturbances combined with lichenometric techniques constrained five debris flow ages from 1712 to 1915 AD. We also estimated ages of three debris flows ranging in age from ca. 970 to 1661. Run-out distances served as a proxy for debris flow magnitude, and indicate that at least 11, 2, and 1 debris flow(s) have traveled at least 1, 3, and 5 km from the valley head, respectively since ca. 1650. Valley form reflects the frequency-magnitude relationship indicated by the chronology. In the upper, relatively steep valley, discrete debris flow snouts and secondary channels are abundant, suggesting a process of debris flow conveyance, channel plugging, and channel avulsion. The lower valley is characterized by relatively smooth surfaces, an absence of bouldery debris flow snouts, few secondary channels, and relatively old surface ages inferred from the presence of tephra layers. We infer that the lower valley is deposited on by relatively infrequent, large magnitude, low-yield strength debris flows like an event in 1947, which deposited wide, tabular lobes of debris outside of the main channel. Debris flows during the Little Ice Age (LIA) predominantly traveled no further than the upper valley. Stratigraphic evidence suggests that the main Kautz Creek channel was filled during the LIA, enhancing debris flow deposition on the valley surface and perhaps reducing run-out lengths. Diminished areas and gradients in front of glaciers during the LIA also likely contributed to decreased run-out lengths. These findings suggest that changes in debris flow source and depositional zones resulting from temperature and glacier cycles influence the magnitude and run-out distances of debris flows, and the dynamics of deposition in valley bottoms. / Graduation date: 2013

Les questions qui se posent à propos de l'érosion à la Réunion et auxquelles nous avons tenté de répondre dans ce travail sont : La Réunion représente-t-elle vraiment un contexte favorable à l'érosion ? Quels sont les mécanismes d'érosion présents à l'échelle géologique sur l'île ? Pouvons nous les identifier aisément sur le terrain ? Pouvons nous proposer une quantification des vitesses d'érosion à l'échelle géologique pour l'île ? Pour y répondre, nous avons abordé l'érosion mécanique à La Réunion : - en proposant une synthèse complète des principaux facteurs d'érosion sur l'île, et en les comparant à ceux d'autres îles dans un contexte similaire : îles Hawaï et îles Canaries, -en identifiant, par des études de terrain ciblées, les principales familles de produit de l'érosion et leurs mécanismes de mise en place à l'échelle géologique, -en réalisant des expérimentions en laboratoire pour identifier et comprendre les processus de base impliqués dans la formation des rivières et des ravines de La Réunion. -en effectuant une étude de l'érosion actuelle à l'échelle d'un bassin versant, -et en étudiant le Modèle Numérique de Terrain de la Réunion pour quantifier et généraliser nos résultats à l'ensemble de l'île. Les différentes approches de ce travail permettent (i) de porter un regard nouveau sur les phénomènes érosifs majeurs d'une île volcanique jeune telle que La Réunion et (ii) d'apporter des ordres de grandeurs pour les différents phénomènes considérés.

L'étude conjointe des parties immergée et émergée de l'Ile de La Réunion (Océan Indien), basée sur la valorisation des données marines multifaisceaux acquises ces 20 dernières années et confrontée à l'ensemble des connaissances géologiques et géophysiques, démontre l'importance considérable des processus de déstabilisations de flanc dans l'évolution des édifices de ce système volcanique océanique. Au total, une cinquantaine d'événements multi-échelles, primaires ou secondaires, d'origine aérienne, côtière ou sous-marine, ont démantelé de façon récurrente les volcans du Piton des Neiges, des Alizés et du Piton de La Fournaise au cours des 2 derniers millions d'années au moins. La plupart correspondent à des phénomènes instantanés et catastrophiques de type avalanche de débris. Leurs dépôts sont principalement accumulés en mer, au sein de quatre gigantesques excroissances topographiques, les Reliefs Sous-Marins, localisés à l'est, au nord, à l'ouest et au sud de l'île. Ces éperons triangulaires, de 20-30 km de large au niveau de la côte et 100-150 km à leur extrémité, à 70-80 km du littoral, se sont construits progressivement par la superposition et la juxtaposition des produits déplacés dans des épisodes de déstabilisation pouvant impliquer plusieurs centaines de km3 de matériaux. Une très faible proportion est retrouvée à terre, au cœur et en bordure littorale du massif du Piton des Neiges et constitue le faciès proximal des dépôts immergés. Les principales structures de la morphologie sub-aérienne de l'île sont interprétées comme (1) les zones sources de déstabilisations relativement récentes, souvent remodelées par l'érosion et/ou comblées par l'activité volcanique ultérieure, ou (2) les traces rémanentes d'amphithéâtres d'avalanches de débris anciens dont les failles bordières ont pu être réactivées dans des processus volcano-tectoniques (effondrements caldériques, étalement gravitaire, subsidence du complexe hypovolcanique du Piton des Neiges,...) et/ou lors d'épisodes ultérieurs de déstabilisation. Ces failles ont probablement guidé le démantèlement par érosion des massifs et ainsi facilité le creusement des dépressions centrales du Piton des Neiges (les trois cirques de Mafate, Salazie, Cilaos et le paléo-cirque des Marsouins) et des principales vallées de l'île. L'étude du volcan Mount Haddington (Ile de James Ross, Antarctique) et les expériences analogiques montrent que la déformation ductile d'horizons de faible résistance inclus dans la structure des volcans boucliers, et en particulier de deltas volcanoclastiques essentiellement constitués de dépôts d'avalanches de débris, est un élément clé dans la génération de glissements rotationnels et d'avalanches de débris ultérieures. Ce modèle est privilégié à La Réunion, en considérant un rôle prépondérant des processus gravitaires dans le déclenchement des déstabilisations des volcans de l'île.

Les phénomènes naturels gravitaires rapides tels que les avalanches ou les crues torrentielles menacent les biens et les personnes en montagne mais restent mal connus. Dans un contexte de connaissance partielle des phénomènes, l'expertise contribue, par des approches pluridisciplinaires à la fois qualitatives et quantitatives, à identifier les phénomènes, analyser les risques et proposer des mesures structurelles et/ou non-structurelles pour la réduction des risques. Les jugements d'experts dépendent de la qualité des informations disponibles. En fin de compte, les scénarios de phénomènes et les décisions peuvent ainsi reposer sur des informations incertaines et contradictoires sans pouvoir vraiment identifier la part du vrai, de l'imprécis, du contradictoire ou simplement de l'inconnu dans les hypothèses ayant conduit au résultat. Ce travail analyse les relations entre l'information, ses imperfections et la décision. Il vise d'une part l'amélioration de la traçabilité, de l'explicitation et de la qualité des composants du processus d'expertise et, d'autre part, la fourniture et l'analyse des outils d'aide multicritères à la décision capables de considérer l'information imparfaite (incertaine, imprécise) provenant de sources de fiabilité variable et potentiellement conflictuelles. Dans un premier temps, l'analyse porte sur des méthodes empiriques d'aide multicritères à la décision d'évaluation des composantes du risque. Une méthodologie est proposée pour traduire des modèles existants sous forme hiérarchique puis transformer des modèles hiérarchiques quelconques dans d'autres modèles du même type tout en conservant les mêmes résultats globaux. Cette reconfiguration exhibe des vues différentes des préférences entre critères liées par exemple à l'importance et au rˆole de scénarios basés sur une aggravation de critères dans la décision. Dans un second temps, la méthodologie ER-MCDA associe la fusion d'information et l'aide multicritères à la décision. L'aide multicritères hiérarchique à la décision (AHP) permet de formuler conceptuellement le problème de décision et d'expliciter les préférences entre les critères. Les théories des ensembles flous et des possibilités sont utilisées pour transformer des critères quantitatifs et qualitatifs dans un cadre de discernement commun de décision associé à la théorie des fonctions de croyance via d'une part, la théorie de Dempster-Shafer (DST) et, d'autre part, la théorie de Dezert-Smarandache (DSmT). Finalement, l'aide multicritères à la décision peut être vue comme une alternative pour l'évaluation des composantes du risque. Elle permet non seulement d'améliorer la qualité globale de l'expertise et du processus de décision mais aussi de créer un nouvel espace d'interaction entre l'expertise et les décideurs publics. Au-delà d'un strict intérêt technique, ces méthodes sont des soutiens aussi inattendus que pertinents dans le cadre d'approches intégrées de la gestion du risque.

L'objet de la thèse est de contribuer à l'étude numérique des lois de conservation hyperboliques avec termes sources, ce qui est motivé par les applications aux équations de Saint-Venant pour les eaux peu profondes. La première partie traite des questions habituelles de l'analyse des approximations numériques des lois de conservation scalaires. On se concentre sur des schémas aux volumes finis semi-discrets, dans le cas général d'un maillage non-uniforme. Pour définir des discrétisations appropriées du terme source, on introduit le formalisme spécifique de la méthode "Upwind Interface Source" et on établit des conditions sur les fonctions numériques telles que le solveur discret préserve les solutions stationnaires. Une définition rigoureuse de consistance est ensuite formulée, adaptée aux "schémas équilibres", pour laquelle on est capable de prouver un théorème de convergence faible de type Lax-Wendroff. La méthode considérée dans un premier temps est essentiellement d'ordre un en espace. Pour améliorer la précision, on développe des approches à haute résolution pour la méthode "Upwind Interface Source" et on montre que celles-ci sont un moyen efficace de dériver des schémas d'ordre plus élevé avec des propriétés convenables. On prouve une estimation d'erreur dans $L^p$, $1\le p < +\infty$, qui est un résultat optimal dans le cas d'un maillage uniforme. On conclut alors que les mêmes taux de convergence $O(h)$ et $O(h^2)$ que pour les systèmes homogènes correspondants sont valables. La deuxième partie présente un schéma numérique pour approcher les équations de Saint-Venant, avec un terme source géométrique, qui vérifie les propriétés théoriques suivantes: il préserve les états stationnaires de l'eau au repos, vérifie une inégalité d'entropie discrète, préserve la positivité de la hauteur de l'eau et reste stable avec des profiles du fond discontinus. Cela est obtenu grâce à une approche cinétique au système; dans ce contexte, on utilise une description formelle du comportement microscopique du système pour définir les flux numériques aux interfaces d'un maillage non-structuré. On utilise aussi le concept de variables conservatives centrées (typique de la méthode des volumes finis) et des termes sources décentrés aux interfaces. Finalement, on présente des simulations numériques du système des équations de Saint-Venant modifiées pour prendre en compte le frottement et la viscosité, afin de retrouver les résultats de certaines études expérimentales. Une application à la modélisation des termes de frottement pour les avalanches de neige est discutée dans l'Appendice.

La géophysique, au sens de la physique d'objets et processus géologiques, est une formidable source de problèmes complexes, au sens de la physique de la matière complexe. Par exemple, des problèmes essentiels ont trait à la mécanique des failles, les avalanches, chargées de fluides ou non, de matière en grain ou plus pâteuse, les phases dynamiques de la sédimentation et les instabilités pendant celle-ci, la fracturation, sèche ou déclenchée par le transport des fluides parcourant les pores de la roche ou du sol, la liquéfaction durant les tremblements de terre, les écoulements d'une ou plusieurs phases fluides non miscibles dans des roches poreuses de géométrie irrégulière, la morphogénèse durant l'évolution des roches sédimentaires où évoluent composition chimique et équilibre mécanique entre les composants des roches, l'évolution dynamique de colloïdes aux interactions variables, les échanges de chaleur dans des écoulements chenalisés, l'évolution de la température et son effet sur la mécanique du système en évolution... . Ces systèmes présentent des interactions qui relèvent de la physique et la mécanique classique, mais avec la présence d'un désordre dans la structure, ou des non-linéarités dans les interactions fondamentales, qui peuvent générer à grande échelle un comportement complexe : notamment, ils peuvent fonctionner sur des échelles de temps et d'espace très étendus, avec coexistence de phases rapides et de phases extrêmement lente, ou avec des déformations diffuses alternant avec des fonctionnements où la déformation est très localisée. L'aspect polyphasique ou polydisperse de ces systèmes peut générer une telle complexité, sans que celle-ci reflète nécessairement la multiplicité des échelles déjà présentes dans la composition du système : dans des systèmes au fonctionnement critique, ou au voisinage de transitions de phases dites du second ordre, de nombreux systèmes dynamiques sont connus pour faire émerger, à partir de désordre présent à petite échelle et d'interaction simples, des organisations à grande échelle du processus en jeu. On aborde dans ce mémoire des modèles analytiques, numériques et des expériences ayant trait à la mécanique de tels systèmes naturels : écoulements mono- ou multiphasiques en milieux poreux ou fracturés, déformables ou non, fractures, avalanches, fonctionnement mécanique des failles, déformation lente des roches avec couplage entre chimie et mécanique.