Les facteurs de contrôle (prédisposition, déclenchement) des glissements de terrain, leurs mécanismes et leurs comportements cinématiques peuvent être extrêmement hétérogènes et interagir sur des constantes de temps très variées. De nombreuses lacunes existent dans l'évaluation de l'aléa associé à ces processus, en particulier pour les glissements lents qui peuvent évoluer en coulées rapides. Les glissements-coulées présentent en effet des comportements très variables dans le temps et dans l'espace caractérisés par un large spectre de vitesses de déplacement (de moins de un centimètre par jour à plusieurs mètres par jour) et la présence de discontinuités et de grandes hétérogénéités dans la répartition de leurs propriétés pétro-physiques. Les techniques d'observation et d'investigation classiques permettent d'obtenir des informations ponctuelles qui ne sont pas suffisantes pour quantifier ces variabilités spatiales et temporelles. Une des conséquences est que, bien souvent, les modèles numériques de glissement ne sont calés et validés que sur un nombre limité d'observations in-situ. Les développements récents en imagerie géophysique multi-paramètres ont permis de progresser dans l'acquisition directe et indirecte de données sur la déformation (photogrammétrie, corrélation d'images, scanner laser) et les paramètres pétro-physiques (tomographie électrique et sismique réfraction). Malgré une précision souvent inférieure à celles des techniques classiques, elles ont l'avantage de fournir des informations multi-échelles et distribuées spatialement. Combiner ces informations spatiales à celles obtenues par les techniques classiques (GPS, extensométrie, piézométrie, géotechnique) et les intégrer dans un modèle conceptuel cohérent pour la modélisation numérique constitue une difficulté majeure. Des travaux scientifiques ont été engagés en combinant différentes approches issues d'observations de terrain (géomorphologie, géologie) et de données instrumentales (hydrogéophysique, photogrammétrie, scanner laser). L'objectif est de développer des méthodologies permettant de déterminer spatialement les différentes caractéristiques majeures des glissement-coulées (structuration interne, comportement hydrologique, comportement cinématique, mécanisme de déformation). Un modèle conceptuel de fonctionnement et des modélisations du comportement hydro-mécanique des glissements-coulées avec les codes Z-Soil et Slow-Mov sont proposés. Les sites d'étude retenus pour notre analyse sont les glissements-coulées marneux de Super-Sauze et de La Valette dans le Bassin de Barcelonnette (Alpes-de-Haute-Provence). Les travaux de recherche sont présentés en quatre parties dont les objectifs sont : 1. De caractériser la structuration interne et la géométrie 3D des glissement-coulées à l'aide de données géophysiques, géotechniques et géomorphologiques ; 2. De proposer un modèle conceptuel hydrologique de la zone non saturée par suivi temporel et spatial de résistivités électriques et par l'analyse de données piézométriques ; 3. De caractériser la cinématique des glissements-coulées à partir de plateformes terrestres de télédétection (photogrammétrie et scanner laser) combinées à des plateformes aériennes et à des suivis par GPS différentiel ; 4. D'identifier des seuils de modifications de régimes hydrologiques et cinématiques par la modélisation numérique. Les résultats soulignent le vaste champ d'application des principales techniques d'imagerie pour l'investigation des glissement-coulées et permettent de définir leurs limites d'utilisation. Des études futures devraient permettre de développer ces différentes méthodologies à des fins opérationnelles de surveillance et pour améliorer les capacités de prédiction de l'aléa.

Il est maintenant admis que les activités humaines, de par l'ampleur qu'elles ont atteinte depuis l'ère industrielle, sont susceptibles de modifier le climat terrestre (IPCC, 1996). Les paléodonnées climatiques et les modèles d'évolution climatique démontrent que les calottes polaires sont particulièrement sensibles aux changements climatiques globaux. De plus elles sont susceptibles de jouer un rôle important mais inconnu à ce jour, sur le niveau des mers. Le terme positif du bilan de masse des calottes polaires est l'accumulation de neige, le terme négatif est constitué par l'écoulement de la glace vers les océans. La taille des calottes polaires et de leur environnement hostile limitent la quantité de données de terrain disponibles. Seule la télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations sur des échelles géographiques aussi grandes que celles de l'Antarctique ou de l'Arctique et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Mais pour être facilement interprétées, afin d'en déduire les caractéristiques du manteau neigeux observé depuis l'espace (taille, forme de grains, rugosité de surface...), les données satellitaires doivent être validées et inversées à l'aide de paramétrisations simples. C'est donc en préalable à l'établissement de ces relations, qu'il est nécessaire de développer des modèles de réflectance de la neige (thèse C. Leroux 1996) prenant en compte les caractéristiques physiques et optiques de la neige, et des modèles d'émissivité micro-ondes (thèse S. Surdyck 1993) qui fournissent des informations de volume sur la morphologie du manteau neigeux. Le manteau neigeux est caractérisé par plusieurs paramètres physiques qui dépendent de la profondeur : la température, la densité, la taille et la forme des grains principalement. Il est alors indispensable d'établir une paramétrisation robuste et simple de la taille et de la forme des grains de neige à partir de leur observation. Un moyen d'observation et de mesure est le traitement d'images qui va permettre d' établir ces relations et qui va permettre un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, du névé est l'interprétation des données issues de l'analyse des gaz piégés dans les bulles d'air. Cette étude implique, en particulier, la datation de la glace dans le névé lors de la fermeture des pores, indispensable pour déterminer dans la glace profonde l'age du gaz par rapport à la glace qui l'emprisonne. En effet la datation des gaz contenus dans les bulles des carottes de glace s'effectue à partir de l'age de la glace, par conséquent, elle nécessite la connaissance de la différence d'age entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. A la fermeture des pores, le calcul de l'age de la glace nécessite un modèle de densification et celui de l'age des gaz un modèle de transport dans le névé (thèse L. Amaud 1997). Ces deux modélisations seront pleinement exploitées uniquement si la densité à la fermeture des pores est connue avec précision, d'où le développement d'un troisième modèle physique de la fermeture des pores dans le névé polaire. Les carottages réalisés depuis quelques années dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Seul le traitement automatique des images issues de ces données est capable de fournir les paramètres de structure introduits dans les modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace (ou grains) avec la profondeur ou l'age de la glace. Ce grossissement des cristaux a été décrit dans la littérature glaciologique (Gow 1969, 1971 et 1975 ; Narita et al. 1978 ; Duval et Lorius 1980 ;A11ey et al. 1982 ; Duval 1985 ; Alley et Bentley 1988). Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains, jusqu'à présent manuelles vont maintenant être réalisées automatiquement par traitement d'images 2D. L'augmentation de la taille moyenne ne représente qu'un seul paramètre des modifications de la microstructirre de la glace liées au grossissement normal des grains. L'utilisation du traitement d'image appliqué à l'étude de ces microstructures va permettre l'observation et l'analyse de ces microstructures en terme d'évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.

Le nord-ouest des Alpes est un domaine intraplaque présentant de très faibles déformations. C'est pourquoi il paraît délicat de déduire la probabilité d'occurrence d'un séisme de taille lithosphérique (magnitude supérieure à 7) à partir des observations de microsismicité. De telles observations sont en effet des processus superficiels et présentent peu ou pas de lien avec des processus profonds de plus grande ampleur. L'objectif est de déterminer le potentiel sismique d'un secteur au nord-ouest des Alpes en étudiant le champ de contrainte résultant d'un chargement gravitaire. Seuls les objets de taille lithosphérique, i.e. de l'ordre de la centaine de kilomètres sont pris en compte. Un modèle de contraintes à l'échelle 360 km par 400 km par 230 km d'épaisseur, centré sur la subduction fossile des Alpes de l'ouest et s'étendant jusqu'au nord de Strasbourg, est établi. L'étude des structures du nord-ouest alpin montre l'importance de l'orogène alpin qui se retrouve, enparticulier, dans les variations de profondeur des interfaces de la lithosphère. Une étude du champ de contrainte dans le socle a permis d'identifier une rotation des contraintes principales horizontales avec l'axe des Alpes. Bien que la valeur absolue des contraintes principales n'ait pas pu être déterminée, un rapport de valeur relative est calculé. Le résultat de la modélisation montre l'importance de la rhéologie dans le cas d'un chargement gravitaire. Si une rhéologie élastique est prise en compte, les directions de contrainte calculées sont totalement différentes des observations. Par contre, l'utilisation d'une rhéologie élasto-plastique combinée à l'utilisation d'une géométrie réaliste des interfaces lithosphériques permet d'obtenir des directions de contraintes cohérentes avec les données.

La dynamique et la structure interne de la Terre sont mal contraintes en profondeur, car les signaux induits en surface, de faible amplitude et basse fréquence, atteignent le seuil de détection des sismomètres. La gravimétrie devient un outil privilégié d'investigation de la Terre profonde aux longues périodes. Les variations temporelles de la gravité sont enregistrées en permanence par des gravimètres relatifs cryogéniques. Nous étudions les niveaux de bruit de ces stations sur un large spectre de fréquences allant des modes propres sismiques longue période jusqu'aux marées. Nous montrons que les gravimètres supraconducteurs apportent une contribution unique à l'étude des modes de vibration les plus graves qui échantillonnent la Terre de la surface jusqu'au noyau. Nous mettons en avant (1) l'éclatement dû à la rotation et à l'ellipticité du mode propre 0S2 en cinq singlets, (2) la première observation du mode sismique 2S1, après le séisme du Pérou du 23 juin 2001 de magnitude 8.4.<br />Nous nous consacrons à la recherche du mode propre de translation de la graine 1S1 qui n'a jamais été observé sans ambiguïté. Sa détection est primordiale car elle permettrait de contraindre le saut de densité à l'interface graine - noyau liquide, ainsi que la viscosité à cette interface et la stratification du noyau fluide. Pour cela nous développons des méthodes de sommation, de détection automatique des signaux et une famille d'ondelettes.

Solid wastes containing sulfate, such as construction and demolition debris (CDD), are an important source of pollution, which can create a lot of environmental problems. It is suggested that these wastes have to be separated from other wastes, especially organic waste, and place it in a specific area of the landfill. This results in the rapid rise of the disposal costs of these gypsum wastes. Although these wastes can be reused as soil amendment or to make building materials, a concern has been raised by regulators regarding the chemical characteristics of the material and the potential risks to human health and the environment due to CDD containing heavy metals and a high sulfate content. Soils containing gypsum, namely gypsiferous soils, also have several problems during agricultural development such as low water retention capacity, shallow depth to a hardpan and vertical crusting. In some mining areas, gypsiferous soil problems occur, coupled with acid mine drainage (AMD) problems which cause a significant environmental threat. Reduction of the sulfate content of these wastes and soils is an option to overcome the above mentioned problems. This study aimed to develop sulfate removal systems to reduce the sulfate content of CDD and gypsiferous soils in order to decrease the amount of solid wastes as well as to improve the quality of wastes and soils for recycling purposes or agricultural applications. The treatment concept leaches the gypsum contained in the CDD by water in a leaching step. The sulfate containing leachate is further treated in biotic or abiotic systems. Biological sulfate reduction systems used in this research were the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor, Inverse Fluidized Bed (IFB) Reactor and Gas Lift Anaerobic Membrane Bioreactor (GL-AnMBR). The highest sulfate removal efficiency achieved from these three systems ranges from 75 to 95%. The treated water from the bioreactor can then be reused in the leaching column. Chemical sulfate removal (abiotic system) is an alternative option to treat the CDD leachate. Several chemicals were tested including barium chloride, lead(II) nitrate, calcium chloride, calcium carbonate, calcium oxide, aluminium oxide and iron oxide coated sand. A sulfate removal efficiency of 99.9% was achieved with barium chloride and lead(II) nitrate.For AMD and gypsiferous soils treatment, five types of organic substrate including bamboo chips (BC), municipal wastewater treatment sludge (MWTS), rice husk (RH), coconut husk chip (CHC) and pig farm wastewater treatment sludge (PWTS) were tested as electron donors for biological sulfate reduction treating AMD. The highest sulfate reduction efficiency (84%) was achieved when using the combination of PWTS, RH and CHC as electron donors. Then, this organic mixture was further used for treatment of the gypsiferous soils. The gypsum mine soil (overburden) was mixed with an organic mixture in different amounts including 10, 20, 30 and 40% of soil. The highest sulfate removal efficiency of 59% was achieved in the soil mixture which contained 40% organic material.The removal of sulfide from the effluent of the biological sulfate reduction process is required as sulfide can cause several environmental impacts or be re-oxidized to sulfate if directly discharged to the environment. Electrochemical treatment is one of the alternatives for sulfur recovery from aqueous sulfide. A non-catalyzed graphite electrode was tested as electrode for the electrochemical sulfide oxidation. A high surface area of the graphite electrode is required in order to have less internal resistance as much as possible. The highest sulfide oxidation rate was achieved when using the external resistance at 30 Ω at a sulfide concentration of 250 mg L-1

La convection thermo-compositionnelle dans la partie de fer liquide du noyau de la Terre est la source d'énergie la plus probable de la géodynamo, qui entretient le champ magnétique de la planète. Des contraintes théoriques impliquent que l'écoulement est probablement dans un régime de turbulence développée, contrainte par l'influence prédominante de la force de Coriolis. Malgré de remarquables avancées récentes, tant expérimentales que numériques, aucun modèle de dynamo convective turbulente n'a encore été obtenu. Ce travail présente une première étape vers cet objectif : la modélisation de l'écoulement convectif sans champ d'un métal liquide (le gallium), à grand forçage thermique (jusqu'à 100 fois la valeur critique du chauffage), dans une sphère en rotation rapide (nombre d'Ekman jusqu'à 10-7 ) . Une étude expérimentale systématique et quantitative a d'abord été réalisée, à l'aide d'une technique de vélocimétrie Doppler ultrasonore. Afin de mieux comprendre la structure de l'écoulement, nous avons ensuite implémenté un modèle numérique quasigéostrophique, validé quantitativement par l'expérience. Les perspectives envisagées sont la magnétoconvection expérimentale, ainsi que des modèles numériques hybrides de dynamo réalisant la séparation d 'échelle entre un champ de vitesse turbulent contenant de très petites échelles de vorticité et un champ magnétique entretenu à grande échelle.

Le schéma de surface canadien (version 3.5) a été testé sous un sol agricole avec des observations provenant d’une station météorologique située dans un champ de pommes de terre. Les observations couvrent une saison complète en 2007, et la période de tubérisation du plant pour l’année 2010. Les performances du modèle sur les composantes des bilans énergétique et hydrique ont pu être évaluées. Sur les deux saisons à l’étude, le modèle a surestimé les flux latents et produit un flux de chaleur dans le sol de trop grande amplitude, comparativement à celui observé. L’évapotranspiration et le drainage produits par CLASS ont par la suite été comparés à ceux simulés par le modèle d’écoulement vertical BV3C, un sous-modèle du modèle hydrologique HYDROTEL. BV3C a semblé produire une évapotranspiration surestimée dont la dynamique ne suit pas celle observée. Finalement, une simulation dont les intrants météo ont été remplacés par le produit régional du modèle global multi-échelle, pour la même localisation, a été testée. Les composantes des bilans énergétique et hydrique simulés par CLASS et ISBA, un autre schéma de surface utilisé au Canada, ont pu être comparés. Lors de ce test, ISBA a montré un plus grand ruissellement que CLASS, ainsi que de faibles quantités d’eau drainée, en désaccord avec les observations disponibles. / The performance of the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) was assessed using meteorological observations from stations located in a potato field during a whole season in 2007, and from tuber initiation to tuber bulking in 2010. The scheme’s performance has been evaluated for both the energetic and hydric balance. Over the two seasons, CLASS overestimated the latent flux and generated a ground heat flux of higher amplitude compared to the observed one. The evapotranspiration and the drainage generated by CLASS were then compared to those of BV3C, a submodel of the hydrological model HYDROTEL. BVC3 seemed to have produced an overestimated evapotranspiration, which the dynamics did not match with those of the observed one. Finally, both CLASS and ISBA, an other land surface scheme in use in Canada, were run with data derived from the regional product of the global environmental multiscale model, for the same location. During this test, ISBA showed a higher flow than CLASS. ISBA also showed little quantity of drained water in disagreement with the available observations.

L'étude hydrogéologique du bassin versant de la Bourbre a été complétée par les nécessités de création de la ville nouvelle de l'Isle d'Abeau. La gestion et la protection des ressources en eau ont été particulieremnt étudiées.

L'océan et l'atmosphère sont des milieux stratifiés, supports d'ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent se propager sur de très grandes distances, transportant de l'énergie loin de leurs sources et jouant ainsi un rôle clé dans le bilan énergétique global des écoulements géophysiques. Notre approche expérimentale modélise de façon idéalisée les topographies océaniques et la stratification du milieu afin de comprendre les mécanismes fondamentaux mis en jeu en présence d'ondes internes. Cette démarche a été couplée au développement de techniques d'analyse des données telles que la démodulation complexe. Différents types d'ondes internes ont été utilisées. Pour cela, un point clé a été la caractérisation et le contrôle d'une nouvelle source d'ondes. Notre étude combinant expériences, simulations numériques et prédictions analytiques permet la génération contrôlée de structures spatiales variées (faisceaux localisés, modes verticaux occupant toute la hauteur du uide, ondes planes). L'étude du problème classique de la réflexion d'une onde plane sur un plan incliné a permis de vérifier l'absence d'onde retour pour des pentes proches de la criticalité, tout en mettant en évidence que ce cas d'école est encore un sujet ouvert. Nous avons également étudié la conversion d'un mode vertical modélisant la marée interne lors de l'interaction avec une topographie de grande échelle. Cette conversion est régie par des mécanismes linéaires et non-linéaires. La présence de pentes sous-critiques inuence la conversion du mode incident en de plus petites échelles spatiales, tandis que la hauteur de la topographie joue un rôle notable dans l'amplitude des modes transmis ainsi que l'intensité de processus non-linéaires générant des ondes harmoniques et un courant moyen. Nous avons réalisé la première mise en évidence expérimentale de la génération locale de trains d'ondes non-linéaires (solitons) lors de la réflexion d'un faisceau d'ondes internes intense et localisé au niveau d'une pycnocline. Ce phénomène dépend de la stratification considérée, qui caractérise la nature de la pycnocline. Enfin, une étude de la dynamique couplée entre un bateau évoluant à force constante et le fluide stratifié environnant a été menée. Le régime particulier des dépend d'un unique nombre sans dimension, le nombre de Froude associé à l'onde la plus rapide de la stratification sur laquelle le bateau évolue. Nous avons généralisé le cas classique à deux couches à tout type de stratification constituée d'une couche homogène en surface.

Afin d'analyser le rôle de la saturation partielle sur la vitesse de phase et l'atténuation des ondes P directes, nous avons élaboré une expérience en laboratoire dans la gamme du kiloHertz. Celle-ci permet une corrélation avec les mesures de terrain et limite les effets d'échelle induits par l'utilisation des traditionnelles mesures ultrasoniques. Le montage expérimental est composé d'un container rempli de sable, équipé d'accéléromètres et de sondes de teneur en eau. Une propagation d'onde est générée par une source mécanique constituée d'une bille en métal frappant une plaque de granite. Plusieurs cycles d'imbibition/drainage sont réalisés entre les saturations résiduelles en eau et en air. Une transformée continue en ondelette a été choisie pour le traitement des données sismiques et validée numériquement par une simulation de propagation d'ondes dans un milieu viscoélastique 2D (code Specfem2D). En imbibition et en drainage, la vitesse de phase décroît avec l'augmentation de la saturation, ce qui peut être expliqué par la limite Biot-Gassmann-Wood (BGW) de la théorie de Biot. Ce comportement, typique des mesures de terrain, indique qu'il est possible de considérer le mélange de fluides (eau et air) comme un fluide effectif. L'interprétation de l'atténuation est plus complexe et ne peut être expliquée par le mécanisme de relaxation de flux macroscopique de la théorie de Biot. Il est nécessaire d'introduire une contribution viscoélastique reliée aux pertes frictionelles grain-à-grain et décrite par un modèle à Q constant. De plus, un hystérésis entre imbibition et drainage est observé et expliqué en introduisant une perméabilité effective du mélange, dépendante des perméabilités relatives à l'eau et à l'air.