Je travaille sur la caractérisation d'objets enfouis en sous-sol proche ou profond avec deux partenaires principaux : le BRGM (Orléans) pour le cadre applicatif et des échanges de compétences; la Division de Mathématiques Appliquées (Patras , Grèce) pour les approches mathématiques des champs. Mes travaux se situent donc à l'interface de ces deux disciplines et consistent à fournir des modélisations pertinentes et robustes pour les réalités de terrain en jeu. Ils reposent tous sur des approximations dans le but d'obtenir des formulations analytiques des champs. Ce choix à pour objectif de réduire considérablement le temps de calcul numérique du problème de diffraction. Ceci assure un gain de temps lors de l'inversion de données pour localiser ou caractériser des amas. Les applications visées étant dans le domaine des basses fréquences, les modélisations traitent toujours de la forme ellipsoïdale. Les approches reposent sur les équations intégrales ou aux dérivées des champs auxquelles des développements asymptotiques (basse-fréquences ou petits objets) sont appliquées. Certaines approches sont à approfondir avant utilisation pour des données réelles, mais toutes ont été testées sur des données synthétiques obtenues avec des codes numériques lourds grâce à des collaborations.

Nous présentons une série d'expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d'aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l'eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l'équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d'une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules " dansent " autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l'origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l'interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu'elle est déterminée par le mécanisme d'accrochage-décrochage de la ligne de contact.

Les instabilités inertielles sont des instabilités fluides excitées au sein de modèles physiques simplifiés de planètes ou d'étoiles. Elles peuvent générer un champ magnétique dynamo. Ce sont donc des alternatives aux écoulements forcés par la convection thermo-chimique pour générer les champs magnétiques dans les noyaux liquides des planètes et les enveloppes fluides des étoiles. Cependant, ces modèles simplifiés questionnent la pertinence des résultats, qui sont ensuite extrapolés aux contextes géo- et astrophysique. D'un point de vue fondamental, de récentes études numériques et expérimentales, réalisées à grande ellipticité pour compenser l'importance des effets visqueux dans les modèles, semblent en désaccord avec les prédictions théoriques (valides dans la limite asymptotique d'une diffusion négligeable et à faible déformation). De plus, de nombreux effets physiques sont négligés dans les modèles. Par exemple, seules les orbites circulaires ont été considérées. Bien que généralement de faible amplitude, l'excentricité induit une dépendance temporelle dans le forçage orbital, ce qui pourrait générer de nouveaux phénomènes. Enfin, l'existence des instabilités inertielles dans les enveloppes fluides stablement stratifiées en densité, comme les zones radiatives des étoiles chaudes de masse intermédiaire (dont la masse est comprise entre une et huit masses solaires), reste incertaine. La génération de champs magnétiques dynamos dans ces enveloppes stratifiées permettrait de réconcilier les modèles avec les observations astronomiques. Lors de cette thèse, nous nous sommes attachés à rapprocher les modèles (théoriques, numériques ou expérimentaux) des contextes géo et astrophysique. Nous avons combiné les approches théoriques (analyses de stabilité locale et globale) et numériques (simulations non linéaires) afin d'étudier les effets des forc cages mécaniques de rotation dans un ellipsoïde fluide. Nous montrons que la dissipation en volume n'est en fait pas négligeable dans les expériences de laboratoire et les simulations numériques, contrairement aux régimes planétaires et stellaires. Nous montrons aussi que l’excentricité orbitale peut, via la variation temporelle des axes de l’ellipsoïde, générer des instabilités fluides pour dans une gamme de paramètres où elles n’étaient pas attendues. Enfin nous avons étudié la capacité dynamo de l'instabilité de marée, dans les enveloppes stablement stratifiées en densité des étoiles chaudes de masse intermédiaire. Environ 10~% de ces étoiles ont un champ magnétique de surface, dont l’origine reste énigmatique. Nous montrons que l’instabilité de marée peut générer des dynamos de grande échelle dans les enveloppes fluides stablement stratifiées. En particulier, ce mécanisme serait susceptible d’expliquer le champ magnétique de faible intensité des étoiles en rotation rapide similaires à Vega et déformées par un compagnon orbital. / Inertial instabilities are fluid instabilities excited by mechanical forcings (e.g. tides, precession) in fluid bodies (e.g. planetary liquid cores or stellar envelopes) orbited by celestial companions. The nonlinear outcome of these instabilities can drive self-sustained, dynamo magnetic fields. Thus they could be an alternative to thermo-chemical convection to generate magnetic fields in geophysics and astrophysics. These instabilities have only been studied in idealised models, which challenges the extrapolation towards the relevant regimes in geophysics and astrophysics. Recent laboratory and numerical studies, performed in the achievable range of parameters (i.e. large deformations and overestimated diffusive effects), seem apparently not in agreement with theoretical predictions representative of celestial fluid bodies (i.e. extremely small deformations and vanishing diffusive effects). Several physical ingredients have been also neglected, such as the orbital eccentricity. This could drive additional tidal effects, as a result of the time-dependent forcing. Similarly, density variations have been largely neglected in these models. However, rotationally powered magnetic fields in stably stratified stellar envelopes could reconcile astronomical observations with dynamo models. In this thesis we have adopted more realistic models, by combining theoretical tools (linear stability analyses in unbounded and bounded fluids enclosed in ellipsoids) and numerical ones (direct numerical simulations) to study rotationally driven inertial instabilities. We show, with a linear stability analysis in bounded ellipsoidal geometry, that bulk diffusion cannot be neglected emph{a priori} compared to the boundary layer diffusion in laboratory experiments and simulations. This phenomena is not expected in celestial fluid bodies. We also show that an orbital eccentricity could generate additional instabilities in deformed bodies, for orbital configurations which were believed to be linearly stable. Finally, we have studied the dynamo capability of tidal flows in stably stratified fluid envelopes. These are idealised models of hot, intermediate-mass stars (i.e. with a mass ranging from one to eight solar masses). Approximatively 10~% of hot stars exhibit observable magnetic fields. We show that the tidal instability can drive dynamo magnetic fields of large wavelength in stably stratified fluids. Predictions obtained with this tidal model seem consistent with the ultra-weak magnetism of rapidly rotating, tidally deformed Vega-like stars.

Ce travail concerne les techniques d'identification ensembliste dites à erreur inconnue mais bornée. On s'est ici exclusivement intêressé à l'approche ensembliste ellipsoïdale. Dans ce contexte précis, nos contributions portent sur une évaluation réaliste de la borne, basée sur l'analyse du kurtosis du signal d'erreur. On propose également une approche unifiée des algorithmes conduisant à leur formulation numériquement stable, à la différence de la quasi-totalité des solutions publiées. L'analyse de la convergence de ce type de techniques fait intervenir la notion habituelle d'excitation persistante pour laquelle on donne une solution algorithmique permettant de qualifier l'entrée, et comment construire des entrées " optimales ". Enfin on s'est intêressé au compromis que l'on pouvait établir entre algorithme séquentiel sous optimal et une approche globale optimale mais numériquement inaccessible. L'ensemble de ces points est illustré tant en simulation qu'avec des données réelles provenant du monde industriel.

Nous présentons une série d’expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d’aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l’eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l’équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d’une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules « dansent » autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l’origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l’interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu’elle est déterminée par le mécanisme d’accrochage-décrochage de la ligne de contact. / We report experiments on ellipsoidal micrometre-sized polystyrene particles. The particle aspect ratio (k) varies between about 0.2 and 8. These particles are manipulated in water by means of a moderately focused laser beam. We observe the levitation and the dynamical state of each particle in the laser beam, in bulk water or in contact to an interface (water-glass, water-air, water-oil). In the first part, we show that moderate-k particles are radially trapped with their long axis lying parallel to the beam. Conversely, elongated (k>3) or flattened (k<0.3) ellipsoids never come to rest, and permanently “dance” around the beam, through coupled translation-rotation motions. The dynamics are periodic or irregular (akin to chaos) depending on the particle type and beam characteristics. We propose a 2d model that indeed predicts the bifurcation between static and oscillating states. In the second part, we apply optical levitation to study the transition from total to partial wetting of the particles at the water-air interface. We show that the dynamics of the transition is about independent of particle shape, and mainly governed by the pinning-depinning mechanism of the contact line.

Cette thèse concerne l'étude de l'écoulement autour d'une particule solide dans un écoulement de cisaillement parabolique d'un fluide visqueux pres d'une paroi plane et solide sur laquelle s'exerce une condition de glissement de Navier. Pour une particule sphérique, cet écoulement est d'abord résolu par la méthode des coordonnées bispheriques. Nous obtenons ainsi la force et le couple qui s'exercent sur la particule sphérique fixe dans cet écoulement ainsi que le stresslet, moment symétrique des contraintes. Par linéarité des équations de Stokes, le problème d'une sphère libre de se mouvoir dans un écoulement parabolique avec glissement sur la paroi est traite par combinaison des problèmes elementaires suivants: sphère fixe dans un écoulement parabolique, sphère en translation et en rotation. Nous calculons ainsi le stresslet pour une sphère qui se déplace librement dans cet écoulement avec glissement sur la paroi. Dans une deuxième partie de ce travail, nous appliquons la méthode des elements de frontière avec le tenseur de Green approprie pour résoudre le problème d'une particule solide de forme quelconque dans un écoulement parabolique d'un fluide visqueux pres d'une paroi avec glissement. Nous retrouvons nos résultats pour le cas d'une particule sphérique. Cette méthode est alors appliquée au cas d'une particule ellipsoïdale fixe de même volume que la sphère et dont l'axe est perpendiculaire a la paroi . Par comparaison des résultats pour les deux particules, nous en déduisons l'influence de la forme de la particule. Dans le dernier chapitre nous présentons de nouveaux résultats concernant les forces, couples, vitesses et stresslets pour le cas d'un ellipsoïde d'axe incline par rapport a la paroi.

Ce travail intéresse la zone des Brèches de Tarentaise, ainsi que la klippe des Schistes lustrés du Mont Jovet, dans la région de Moûtiers (Alpes occidentales françaises du Nord). Il repose sur l'utilisation simultanée de trois méthodes d'étude: l'analyse géométrique des structures,l'analyse quantitative de la déformation et la modélisation expérimentale. 1- analyse géométrique des structures A l'échelle de la carte géologique à 1/25.000, on montre que: - d'une part la"zone des Brèches de Tarentaise", dans la région de Moûtiers, appartient à un couloir de fracturation, tardif par rapport aux structures plicatives générales polyphasées. Ainsi le découpage paléogéographique ne peut en aucun cas être superposable au compartimentage tectonique actuel ; - d'autre part, la klippe des schistes lustrés du Mont Jovet, ainsi que son coussinet gypseux de base, sont conservés à I'intérieur d'une zone effondrée, orientée sensiblement N-NE - S-SW et faite de plusieurs blocs juxtaposés. A l'échelle des méso et des micro-structures: - l'analyse des stries (par la méthode des dièdres droits) essentiellement développées sur les failles des niveaux gréseux du Carbonifère de la zone houillère briançonnaise, autochtone relatif de la klippe du Jovet, révèle des diagrammes en raccourcissement par décrochement. La direction de contraction s'avère sub-horizontale et proche de N 120° Est. On notera que le sens de mouvement des failles de la région de Moûtiers est compatible avec cette direction ; - l'analyse des figures d'interférence de plis, dans les deux régions, met en évidence trois phases de plissements synschisteux et le caractère progressif de la déformation en regime de cisaillement, de la phase (2) à la phase (3). Des plis en fourreau peuvent s'individualiser au çours de la phase (2). 2 - L'analyse quantitative de la déformation. Dans le flysch de la zone des Brèches de Tarentaise de la region de Moûtiers, l'étude de la croissance des fibres développées dans les fractures d'extension pendant ou juste après la déformation synschisteuse (2 et 3), indique un taux d'extension variant entre 40 et 45% selon la direction N 30°. Dans les schistes verts et violets du Permien de la même zone, l'ellipsoïde de déformation correspondant à la phase (2), est allongé en forme de cigare selon la direction XZ, parallèlement aux axes de plis P2, et la déformation est de type constrictif. Par la méthode de Fry on obtient les rapports suivants, pour cet éllipsolde : X/Z = 9,8 et Y/Z = 1,5. 3°/ La modélisation analogigue. Les essais réalisés en régime de cisaillement simple global, et en regime de cisaillement pur, confirment les processus de la déformation progressive et la formation des plis actifs.