La cavitation hydrodynamique, et plus particulièrement la cavitation à poche attachée, peut apparaitre et se développer dans des écoulements turbulents complexes à l’intérieur de décollements de la couche limite laminaire. Ce phénomène s’avère être également sensible aux autres gaz présents dans l’écoulement comme l’air. Pour mieux comprendre l’attachement de poches de cavitation dans des décollements laminaires et l’influence de l’air sur celles-ci, nous proposons d’étudier des écoulements laminaires décollés d’huiles silicones visqueuses, contenant une grande quantité d’air, autour d’une géométrie Venturi lisse. Dans notre étude nous observons l’apparition de plusieurs types de poches, d’air ou de vapeur, qui peuvent s’attacher dans différents décollements de l’écoulement laminaire. Le dégazage joue alors un rôle important à hautes pressions, générant des poches d’air attachées présentant des dynamiques particulièrement intéressantes.À très basses pressions, des poches de cavitations peuvent s’attacher provoquantselon la stabilité de l’écoulement une transition à un régime transitionnel laminaire/turbulent dans leurs sillage. Cette même transition peut également apparaitre de façon intermittente à plus hautes pressions dans le sillage d’une bulle d’air recirculante, caractéristique du dégazage dans les écoulement laminaires décollés. Le régime transitionnel laminaire/turbulent, beaucoup moins sensible au dégazage, est caractérisé par de la cavitation de tourbillons, générés à hautes fréquences, dans le sillage d’un bulbe de décollement laminaire “court” le long de la pente du Venturi. Le bulbe se développe jusqu’à transitionner brutalement en bulbe “long” pour une taille de poche assez élevée, on peut associer ce phénomène à la supercavitation. / Hydrodynamic cavitation, more specifically attached cavitation, can emerge et develop in complex turbulent flows within laminar boundary layer separations. This phenomenon might be extremely sensitive to the gaz content in the flow. For an easier understanding of the attachment of cavities into laminar separated flows within the influence of air content, we propose to focus our study on viscous silicon oil laminar separated flows, presenting high gas content, within a smooth Venturi geometry. In this study, the inception of several types of attached cavities, filled with air or oil vapor, can be observed into different laminar flow separations. For high pressures, the degassing phenomenon is dominant in the flow, generating attached cavities filled with air presenting interesting dynamics. For low pressures, attach vapor cavities can emerge inducing, if the flow is unstable, the transition to laminar/turbulent transitioning regime in their wake. This transition can also occurs intermittently at higher pressures in the wake of a recirculating air bubble, characteristic to degassing into laminar separated flows. The laminar/turbulent transitioning regime, less sensitive to degassing, is characterized by vortex cavitation, occurring at high frequencies, at the rear of a “short” laminar separation bubble along the divergent Venturi slope. The “short” laminar separation bubble grows until transitioning to a “long” bubble within an large attached cavity. This transition can be associate to thesupercavitation phenomenon.

La croissance de la phase vésiculée, moteur de l'éruption, est contrôlée par les processus de diffusion qui permettent la migration des gaz (et notamment des gaz rares) dans les bulles. On utilise la haute volatilité des gaz rares comme traceur géochimique de l'évolution d'une phase gazeuse sans interaction chimique. Ainsi, documenter précisément les mécanismes de diffusion des différents gaz rares (He, Ne, Ar) lors de l'éruption (c'est-à-dire en fonction de la chute de température et de pression du système), permet de quantifier les phénomènes de fractionnement de la phase gazeuse. La compréhension des processus de fractionnements cinétiques, permet dès lors de prédire le temps nécessaire pour atteindre une certaine quantité de gaz rares dans une bulle (située au sein d'un système magmatique), lors de l'éjection des laves. Pour cela, la compréhension de l'influence de la température et de la structure du réseau silicaté sur les coefficients de diffusion est nécessaire. Cependant, la compréhension physique des processus de diffusion ainsi que l'évolution des coefficients de diffusion en fonction de la température, n'est pas suffisante pour dériver des temps caractéristiques d'une éruption volcanique de type Plinian. La complexité symptomatique de tels systèmes, nécessite une résolution numérique des équations de diffusion prenant en compte la dépendance des coefficients de diffusion à la température. Plusieurs verres synthétiques et naturels de composition basaltique ont été fabriqués dans le but de déterminer la vitesse de diffusion des gaz rares. Les données de diffusivités expérimentales mesurées sur ces systèmes, depuis l'état vitreux de basse température (T = 423 K) jusqu'à des températures sur-liquidus (T = 1823 K), documentent nos connaissances des processus physiques de diffusion dans ces milieux. Un modèle numérique intègre ces données et permet de suivre en continue la variation des coefficients de diffusion lors de la trempe d'une lave. On a pu ainsi montré : - La relation particulière entre la structure du milieu diffusif et les espèces diffusantes. La quantité de formateurs de réseaux (SiO2) et de modificateurs (CaO - MgO - etc.), joue sur la connectivité des chemins de diffusions de chaque gaz rare, avec un effet antagoniste entre l'ouverture globale du réseau et la connexion des tétraèdres de la structure. - La présence de comportements non-arrheniens des gaz rares proches de la Tg, due à la relaxation du réseau silicate. - L'importance des données expérimentales dans l'étude des mécanismes de dégazage des magmas basaltiques. En effet, les études précédentes utilisent des extrapolations des coefficients de diffusions, mesurés dans le verre pour extrapoler les diffusivités dans le liquide silicaté. Nos données montrent que le fractionnement cinétique des gaz rares pendant le dégazage de lave basaltique, est surestimé par ces extrapolations basées sur les vitesses de diffusions aux basses températures (T << Tg) / Noble gas geochemistry is an important tool for constraining the history of the volatile phase during magmatic eruptions. Degassing processes control the gas flux from liquid to bubble, leading to solubility- or kinetic-control of the fractionation mechanisms. Noble gases have no chemical interactions at magmatic conditions and are therefore well adapted to tracing gas fractionation mechanisms during the evolution of the gas phase. Well constrained diffusion coefficients, and their dependence on temperature, of several noble gases are critical for estimating the timescale of a plinian eruption, for example. During the quench phase of the lava ejected in the plume, atmospheric noble gases will diffuse through the liquid/glass shell surrounding gas bubbles. Diffusion of these atmospheric gases determine the gas content measured in the eruption products, which are therefore a function of the timescale of the eruption, the initial and final temperatures, the glass/liquid shell thickness and the cooling rate of the magma. Therefore, it should be possible to calculate plinian eruption timescales from noble gas fractionation patterns trapped in pumice. However, in order to perform the diffusion calculations, it is first necessary to model the diffusive system: a numerical resolution of the diffusion equations for hollow sphere geometry is required as there are no analytical solutions (for complex thermal histories such as for a plinian ash column). In order to constrain the diffusion mechanisms (He, Ne and Ar) in silicate glasses and liquids, several synthetic basaltic glasses were produced. Diffusion coefficients were measured from low temperatures (423 K) to the Tg (glass transition temperature) of the system (1005 K). These experiments allowed us to investigate the physical processes that limit diffusion in glassy media: He, Ne and Ar diffusion in silicate glasses show non-Arrhenian behavior as the Tg is approached thought to be due to structural relaxation of the silicate network itself. Complementary diffusion experiments (on He and Ar) at super-liquidus conditions (1673 K and 1823 K) provide important information on the temperature dependency of He/Ar fractionation in silicate liquids. These diffusion measurements required that a new experimental protocol was developed in order to investigate noble gas diffusivities in silicate melts. The results show that relative He and Ar diffusion (i.e. DHe/DAr) decreases with temperature, from 165 at temperatures close to the Tg to 3.2 at high (>1823K) temperature. The measured coefficient diffusions are incorporated to a numerical model of the diffusion equations for a hollow sphere geometry that were developed as a MatLab code as part of this thesis work. This enabled us to determine the likely timescales of plinian eruptions from existing noble gas measurements. These results also have important implications for mechanisms of degassing in basaltic magmas: previous work used diffusivities measured on glasses in order to extrapolate to noble gas diffusivities at magmatic temperatures. Our measurements show that kinetic fractionation of noble gases during degassing of basaltic magmas has likely been overstated because noble gas diffusion in the glass cannot be extrapolated to the liquid state

Afin de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique d’ascension et d’éruption des magmas basaltiques, nous avons réalisé des expériences de décompression à haute pression (200–25 MPa) et haute température (1200°C) spécifiquement orientées pour documenter la nucléation des bulles de gaz ; ce processus, qui constitue la première étape du dégazage magmatique, conditionne l’évolution de la phase gazeuse (force motrice des éruptions explosives) dans le conduit volcanique. Quatre principaux ensembles d’expériences ont été menés afin de mieux comprendre le rôle des volatils majeurs (H2O, CO2, S), ainsi que les effets de la vitesse d’ascension et de la présence de cristaux sur la cinétique de vésiculation (nucléation, croissance, coalescence) des bulles dans les magmas basaltiques. L’objectif est de comprendre les mécanismes qui contrôlent les caractéristiques texturales (nombre, taille, forme des bulles) et chimiques (teneur en volatils dissous, composition des gaz) des produits naturels et de les approcher expérimentalement. Dans ce sens, les verres expérimentaux ont été analysés avant et après décompression sur le plan textural (microtomographie par rayons X, MEB) et chimique (FTIR, microsonde électronique). Nos résultats démontrent une forte influence du CO2 sur les processus ainsi que sur le mode (équilibre vs. déséquilibre) de dégazage des magmas basaltiques, en lien avec des différences de solubilité et de diffusivité entre les espèces volatiles. Nos données, obtenues dans des conditions voisines des conditions naturelles, ont des implications volcanologiques pour l’interprétation des textures de bulles et des mesures de gaz en sortie de conduit, ainsi que, plus spécifiquement, pour la dynamique des éruptions paroxysmales au Stromboli. / For a better understanding of the dynamics of ascent and eruption of basaltic magmas, we have performed high pressure (200–25 MPa) and high temperature (1200°C) decompression experiments specifically oriented to document gas bubble nucleation processes. Bubble nucleation occurs first during magma degassing and, so, it is critical to understand bubble nucleation processes to constrain the evolution of the gas phase (which is the driving force of explosive eruptions) in the volcanic conduit. Four main sets of experiments were conducted to better assess the role of the major volatiles (H2O, CO2, S), as well as the effects of ascent rate and crystals, on bubble vesiculation (nucleation, growth, coalescence) kinetics in basaltic magmas. The aim of the study is to understand the mechanisms which control the textural (number, size, shape of bubbles) and the chemical (dissolved volatile concentrations, gas composition) characteristics of natural products, and also to approach them experimentally. In this way, experimental melts, before and after decompression, were analysed texturally (by X-ray microtomography and MEB) and chemically (by FTIR and electron microprobe). Our results demonstrate a strong influence of CO2 on degassing mode (equilibrium vs. disequilibrium) and mechanisms, which are shown to be controlled by differences in solubility and diffusivity between the main volatile species. Finally, our data, obtained under conditions closely approaching natural eruptions, have volcanological implications for the interpretation of bubble textures and gas measurements, as well as, more specifically, for the dynamics of Strombolian paroxysms.

Le volcanisme des zones de subduction est caractérisé par une grande variété de styles éruptifs, allant de croissances effusives de dômes à des éruptions hautement explosives telles que les nuées ardentes ou les panaches Pliniens. L'impact de ces éruptions en<br />termes de risque volcanique pour les populations est très différent. Cependant, à l'heure actuelle, on ne peut prévoir ni la date d'une éruption, ni son style éruptif. Cette incapacité de prévision réside fondamentalement dans le manque de compréhension des processus physicochimiques à l'origine du développement d'une éruption effusive ou explosive. Les travaux<br />présentés visent à apporter des informations sur les conditions de stockage et les processus<br />éruptifs tels que le dégazage, la cristallisation et la fragmentation de ces magmas riches en<br />silice, par une approche naturaliste des tephra naturels couplée à de l'expérimentation en conditions magmatiques

Outils miniaturisés, polyvalents et sensibles, les biopuces constituent un type d'instrument très prometteur pour la recherche de vie dans le Système solaire. Elles peuvent en effet détecter une grande variété de molécules organiques, ainsi que des bactéries, avec un haut degré de spécificité et de sensibilité. Les biopuces sont actuellement très usitées dans les domaines médical et environnemental, mais aucun instrument à base de biopuce n'a encore été conçu dans le cadre d'une mission spatiale. Pour adapter un tel instrument à ce nouvel environnement, il est nécessaire d'effectuer une étude approfondie de l'impact des contraintes spatiales sur l'ensemble de ses composants.<br /><br />Cette thèse s'insère dans le projet BiOMAS (Biochip for Organic Matter Analysis in Space), financé par le CNES, qui vise à développer une biopuce dédiée au spatial. Le principal objectif de la thèse est d'évaluer la résistance des composants de cette biopuce face aux diverses contraintes spatiales.<br />Dans un premier temps, nous avons étudié la résistance de la lame de la biopuce, c'est-à-dire le support solide de l'instrument. Plusieurs types de matériaux (verre, thermoplatiques, élastomère) ont été comparés en termes de dégazage, résistance aux solvants organiques et comportement thermique et mécanique, afin d'identifier celui qui répond le mieux au cahier des charges que nous avons établi. Parmi les différents candidats testés, le CycloOléfine Copolymère (COC) s'impose comme le meilleur matériau pour la réalisation d'une biopuce spatiale. <br />Dans un second temps, des études de résistance aux contraintes spatiales ont été menées pour la première fois sur des anticorps (qui servent de sondes de reconnaissance dans les biopuces). L'objectif est de déterminer l'évolution de leur comportement lors de cycles thermiques et sous divers types d'irradiations. Nous avons mis en place un outil de simulation performant, sur la base de l'outil Geant 4 du CERN, qui nous a permis de déterminer le type de particules ainsi que les gammes d'énergies pertinentes pour les expériences d'irradiation. Deux campagnes d'irradiation ont été menées sur la plateforme AIFIRA du CENBG à Bordeaux. Nous avons notamment démontré la bonne résistance des anticorps face à des flux de neutrons de faibles énergies.<br /><br />Ce travail de thèse, fortement pluridisciplinaire, a nécessité la mise en place de nombreuses collaborations complémentaires entre des planétologues, des biochimistes, des physiciens nucléaires et des experts en matériaux. Les résultats que nous avons obtenus sont d'une importance capitale pour la réalisation d'une biopuce spatiale opérationnelle et fiable.

Le volcanisme d'arc est connu pour ses fortes teneurs en volatiles, qui lui confèrent un degré de dangerosité élevé. L'étude des volatils majeurs C, H, O, S, présents dans les systèmes magmatiques apporte des informations importantes à la compréhension du fonctionnement des systèmes volcaniques, du point de vue chimique et physique. Ces informations sont primordiales pour la prévention du risque volcanique. Dans ce travail, nous avons déterminé de façon expérimentale les lois de solubilité des volatils majeurs, H2O, CO2 et S (SO2, H2S) présents dans les systèmes volcaniques pour trois basaltes alcalins de trois volcans italiens. L'utilisation d'un autoclave à chauffage interne, équipé d'un système de trempe rapide nous a permis de réaliser des expériences d'équilibre entre un liquide silicaté et une phase fluide en excès à haute température, et à des pressions allant jusqu'à 3000 bars. L'utilisation de méthodes courantes (FTIR, KFT, EMPA) pour l'analyse des volatils dissous dans ces verres basaltiques synthétisés, nous a permis d'obtenir des résultats à partir desquels les lois de solubilité de chacune des espèces volatiles ont été définies pour les verres basaltiques alcalins issus du Vésuve, de l'Etna et du Stromboli. L'étude expérimentale a permis de montrer l'importance des alcalins sur la solubilité de H2O à des pressions supérieures à 1000 bars, mais surtout sur la solubilité du CO2. L'introduction des lois de solubilité des volatils majeurs dans un modèle numérique, appliqué à l'Etna, permet de mieux comprendre les phénomènes de dégazage, en se référant aux données naturelles disponibles (inclusions vitreuses et chimie des gaz en sortie de conduit).

L'activité des volcans andésitiques au niveau des arcs insulaires est caractérisée par une grande diversité dans leur style éruptif. Le dynamisme d'un même édifice volcanique peut aussi bien s'exprimer par une alternance d'éruptions de type "plinien" ou bien de type "peléen". Le sujet comporte deux aspects liés au fonctionnement local de la Soufrière de Guadeloupe et de la Montagne Pelée : l'étude de la dynamique d'une chambre magmatique superficielle et l'étude des phénomènes liés au dégazage des produits lors de la remontée dans le conduit volcanique.<br />Le premier aspect repose sur l'étude d'une éruption particulière de la Soufrière de Guadeloupe (1440 AD). La stratégie d'étude a été de coupler une étude pétrographique des produits émis avec une étude expérimentale. Cette approche nous a permis de contraindre avec précision les conditions pré-éruptives ainsi que la dynamique de la chambre magmatique qui s'est avérée être zonée thermiquement et chimiquement. <br />Le second aspect a consisté en l'acquisition des données naturelles et expérimentales sur les produits des éruptions historiques de la Montagne Pelée afin d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension du dynamisme des magmas andésitiques dégazés. La nature des produits a nécessité de coupler différentes approches (étude texturale des produits naturels, teneur en eau des verres résiduels, anisotropie de susceptibilité magnétiques sur les produits de dômes, expériences de décompressions contrôlées et acquisition de données expérimentales à basse pression).

1) Nous évaluons les aspects dynamiques de dégazage et perméabilité dans les magmas au moyen d'expériences haute pression et température sur des roches naturelles. Le dégazage est mesuré par l'influence du taux de décompression sur la croissance des bulles de gaz contenues dans le magma et la perméabilité par l'évolution temporelle de la coalescence de ces bulles. La mise en paramètre de nos résultats dans un modèle numérique de conduit volcanique montre que les modèles précédents basés sur un dégazage en équilibre surestiment significativement l'accélération et le taux de décompression du magma. L'estimation des effets de la perméabilité montre que la transition entre les éruptions effusives et explosives est fortement contrôlée par la vitesse initiale de remontée du magma.<br />2) Nous unifions les deux visions de courants pyroclastiques admises (coulées pyroclastiques hautement concentrées et nuées ardentes diluées et turbulentes) grâce à des lois d'échelle basées sur la physique multiphasée. A partir la dynamique de l'interaction de particules avec un vortex élémentaire, nous considérons le spectre complet des vortex générés dans un écoulement turbulent. Nous démontrons que la présence de particules de tailles différentes force la stratification en densité du courant, puis nous expliquons le mécanisme de ségrégation des courants pyroclastiques en une partie basale concentrés surmontée d'une partie diluée. Comme l'interaction d'un courant avec des reliefs montagneux ou des corps aqueux s'enregistre dans ses dépôts, nous avons étudié les produits de la dernière grande éruption du volcan Okmok (Iles Aléoutiennes, USA). Au-delà de la reconstruction du déroulement de l'éruption, cette étude de terrain a permis de valider les aspects principaux du modèle, comme la superposition d'un courant dense et dilué, leur séparation lors de l'entrée dans l'océan et les caractéristiques des particules qui les constituent.

Le 8 mai 1902, L'Eruption meurtrière de la montagne Pelée (MARTINIQUE) tua 30000 personnes et dévasta la ville de St Pierre, nous rappelant qu'il est un des volcans français les plus dangereux. Les produits pyroclastiques des derniers 10 000 ans de ce volcan témoignent de deux types d'éruptions : les éruptions pliniennes, aux colonnes éruptives de plusieurs Km de haut dont les dépôts sont très vésiculés ; et éruptions péléennes, caractérisées par l'extrusion d'un dôme de lave peu vésiculée qui s'écroule au cours de sa croissance en « nuées ardentes », le plus souvent de faible explosivité, mais pouvant être dramatiquement violentes comme le fût la déferlante du 8 mai 1902. Ces deux types éruptifs n'ont évidemment pas les mêmes conséquences en terme de risques volcaniques et de zones menacées. Déterminer le ou les facteurs(s) qui conduise(nt) vers l'un ou l'autre de ces deux types d'éruption est donc un enjeu important pour la compréhension générale des éruptifs des stratovolcans andésitiques et également pour la gestion de futures crises volcaniques de la Montagne Pelée. Le déterminisme entre une éruption plinienne ou péléenne peut être acquis par des différences de composition des magmas, par des différences des conditions pré-éruptives (pression, température, teneurs en volatils, fugacité d'oxygène) dans la chambre andésitique, ou au cours de l'éruption, pendant l'ascension des magmas dans le conduit magmatique (vitesse de montée dégazage du magma). Notre étude consiste à déterminer, par une étude lithologique des produits émis et par une étude expérimentale, les conditions pré-éruptives et les conditionséruptives des magmas pliniens et péléens de la période récente de l'édification de la Montagne Pelée.<br />Les équilibres de phase déterminés expérimentalement suggèrent que les conditions pré-éruptives des magmas pliniens et péléens de la période récente de la Montagne Peléesont comparables. Ces conditions pré-éruptives sont environ 2kb, 900°C, NNO+0.7, 5.5-6 % d'eau. Ceci révèle que les éruptions pliniennes et péléennes ne sont pas déterminées par des teneur en eau différentes des liquides silicatés dans la chambre magmatique. Le déterminisme en éruptions pliniennes et péléennes s'acquiert par conséquent au cours de l'ascensiondes magmas. les calculs théoriques de vésiculation et les expériences de dégazage montrent que les magmas péléens dégazent plus que les magmas pliniens. De plus, ce dégazage s'effectuerait en "système fermé" pour les magmas pliniens et en "système ouvert" pour les magmas péléens. Bien que ces différentes modalités de dégazage peuvent être acquises relativement tôt dans l'histoire de l'ascension du magma, les données pétrologiques suggèrent néanmoins que le magma garde une capacité à se vésiculer à proximité de la surface, permettant le passage brutal d'une phase péléenne à une phase plinienne.

Cette étude concerne une recherche sur les conditions optimales de dégazage d'un alliage d'aluminium de type X7091 atomisé sous hélium ou sous air froid. Une analyse chimique permet de distinguer les deux poudres par leur teneur en oxygène : 1350 ppm pour le produit atomisé sous hélium, 3210 ppm pour le produit atomisé sous air froid. L'analyse des gaz thermodésorbés a été réalisée de façon continue et à l'aide d'un spectromètre de masse. Cet appareillage a été informatisé au niveau de l'acquisition des données. Le spectre de l'hydrogène a été relevé sur les deux types de poudres. Dans le cas du produit atomisé sous hélium, on observe un seul pic situé à 400°C, qui s'accompagne d'une sublimation partielle de l'alliage. Dans le cas du produit atomisé sous air, le spectre de l'hydrogène présente quatre pics situés respectivement à 200, 290, 360 et 400°C. Le dernier pic s'accompagne toujours d'une sublimation partielle. L'utilisation d'eau marquée a permis de préciser l'origine de l'hydrogène dégazé. En ce qui concerne le pic situé à 400°C, il provient d'une décomposition de l'eau adsorbée qui réagit avec le métal au moment de la sublimation. L'hydrogène responsable des trois autres pics résulte toujours d'une décomposition de l'eau, mais il s'agit cette fois de l'eau libérée lors des transformations successives des alumines de surface.