Crystalline systems formed with transition metal elements tend to exhibit strong magneto-structural coupling that gives rise to unusual but exciting physical phenomena in these materials. In this dissertation, we present our findings from the studies of structural and physical properties of single phase compounds Co2MnSi, Ni16Mn6Si7 and Mn(Ni0.6Si0.4)2. In addition, the stability of a Ni2MnSi composition in a multiphase system is discussed by both theoretical and experimental approaches. All the works have been conducted with a focus on explaining the fundamental behaviors of these systems that have not been adequately addressed by other studies in the literature. We present an experimental and theoretical investigation of the half-metallic Heusler compound, Co2MnSi to address disorder occupancies and magnetic interactions in the material. Contrary to previous studies, our neutron diffraction refinement of the polycrystalline sample reveals almost identical amount of Mn and Co antisite disorders of ~6.5% and ~7.6%, respectively which is also supported explicitly by our first-principles calculations on the system with defects. A reduction of the net moment of Co2MnSi due to an antiferromagnetic interaction introduced by disordered Mn is observed by our theoretical study. The neutron refinements at 298 K, 100 K, and 4 K further supports such reduction of moments. The work also reports the growth of single crystal by the Czochralski method and determination of a Curie temperature of ~1014 K measured by both the electrical resistivity and dilatometry measurement. Studies of a Ni2MnSi Heusler system reveal two new systems i.e., the Ni16Mn6Si7 G-phase and the Mn(Ni0.6Si0.4)2 based Laves phase with complex crystal structures. These systems exhibit strong magneto-structural coupling that could lead to interesting physical behaviors. The lack of thorough understanding of the properties of these materials inspired us to undertake the present studies. We address the geometrically frustrated two-dimensional magnetic structure and spin canted weak ferromagnetic behavior of Ni16Mn6Si7. Our magnetization and specific heat measurements on a Czochralski grown single crystal sample depicts the paramagnetic to antiferromagnetic transition at 197 K, and a second phase change at 50 K. Furthermore, a gradual drop of zero field cooled magnetic susceptibility is observed below 6 K that is associated with the spin freezing effect. The neutron diffraction on the polycrystalline powder samples at the temperatures of interest reveals that the antiferromagnetism is governed by the magnetic ordering of the Mn ions in the octahedral network. Below the Néel temperature of 197 K, the 2/3 of Mn atom moments form a two-dimensional magnetic arrangement, while the 1/3 moments remain geometrically frustrated. The phase transition at 50 K is found to be associated with the reorientation of the 2D moments to a canted antiferromagnetic state and development of ordering of the frustrated paramagnetic ions. Magnetization measurements as a function of temperature and magnetic field in principal directions, permit to determine the anisotropic magnetic behavior of Ni16Mn6Si7 in terms of the magnetic structure obtained by the neutron diffraction measurements. We also report an irreversible smeared spin-flop type transition for the system at a higher magnetic field. The diffuse scattering due to the short-range ordering is a commonly occurring phenomenon in Laves phase materials. The occurrence of such distinct atomic arrangement can considerably influence the physical behavior of the material. Nevertheless, no structural reconstruction of such atomic distribution in Laves phase has ever been reported in the literature. In this work, we present the structural ordering, and the associated physical behavior of an antiferromagnetic Ni-Mn-Si Laves phase with a composition Mn(Ni0.6Si0.4)2. The possibility of unique short-range ordering in the material is first concluded based on our single crystal diffraction analysis. With the high-resolution transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy analysis, our work resolves the distinct atomic ordering of the Laves phase system. The investigations reveal the origin of the short-range ordering to arise from a unique arrangement between Ni and Si. The study also presents the atomic resolution mapping of the Si atoms which has never been reported by any previous studies. With further electrical conductivity measurement, we find one of the consequences of the unique ordering reflected in a semiconducting like temperature dependence of the compound. The neutron diffraction at 298 K suggests Mn(Ni0.6Si0.4)2 to be a strong antiferromagnetic system, which is further supported by the successive magnetic susceptibility measurement. The Néel temperature is determined to be 550 K. We also address the stability of the hypothetical ferromagnetic Heusler compound Ni2MnSi which has been proposed to be a stable system by numerous theoretical studies. Our first-principles work corroborates those studies with a negative formation enthalpy of -1.46 eV/formula unit. However, after numerous attempts to synthesize the composition, we conclude that a single phase Heusler Ni2MnSi compound cannot form under ambient conditions. Our results show that the system crystallizes as a mixture of the two Ni-Mn-Si compounds, i.e., the Ni16Mn6Si7 type G-phase and Mn(Ni0.6Si0.4)2 based Laves phase. Our work provides a possible explanation for the unstable Ni2MnSi Heusler compound with the calculation of formation enthalpy of the hypothetical Heusler system in terms of the computed energies of the neighboring phases Ni16Mn6Si7 and Mn(Ni0.6Si0.4)2. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

La première partie des travaux réalisés durant cette thèse a été dédiée à l'élaboration de composés de type LaFe13-xSix (1,2 < x < 2,3) par une méthode de synthèse qui, jusque là, n'avait pas encore été utilisée pour ce type de matériaux : la mécanosynthèse à haute énergie. Il a fallu déterminer les conditions de synthèse et de recuit optimales pour l'obtention d'échantillons monophasés. L'homogénéité de ces derniers a été systématiquement analysée par diffraction des rayons X et microsonde électronique. Les résultats ont montré qu'une microstructure plus fine favorise la formation de la phase désirée : un recuit de 30 minutes (au lieu de 30 jours pour les composés massifs) à 1373K sut à l'obtention d'un composé quasi-monophasé. Ceci représente un gain de temps non négligeable pour tous procédés industriels. D'après les mesures magnétiques eectuées, les composés synthétisés par broyage mécanique possèdent des propriétés magnétiques et magnétocaloriques similaires aux composés massifs. Ils présentent une transition métamagnétique des électrons itinérants induite par le champ ou la température. Leur température de Curie augmente avec le taux de Si, variant de 200K à 235K respectivement lorsque x varie de 1,4 à 2,0 alors que leur variation d'entropie magnétique diminue de 20 J/kg K à 4 J/kg K sous une variation de champ de 0-2 T. La deuxième partie de l'étude a consisté à améliorer les propriétés magnétocaloriques des composés intermétalliques en procédant à l'insertion d'atomes interstitiels tels que l'hydrogène ou le carbone. Conformément à la littérature, les mesures magnétiques ont montré une nette augmentation de la température de transition (jusqu'à température ambiante) dans les deux cas par effet magnétovolumique tout en conservant un eet magnétocalorique important. Les analyses par diffraction des neutrons en température effectuées sur les composés deutérés (hydrogénés) ont permis de suivre l'évolution des données cristallographiques ainsi que des moments magnétiques par atomes de Fe indépendamment des sites cristallographiques qu'ils occupent. Il ressort de cette étude que ces composés présentent un grand intérêt dans la recherche de futurs matériaux magnétocaloriques pour la réfrigération magnétique à température ambiante. Dans le cadre de l'exploration de nouveaux systèmes magnétocaloriques, les propriétés magnétiques et magnétocaloriques des composés Y1-xRxFe2D4;2 (R = Er et Tb) ont également été étudiés en couplant les analyses magnétiques avec les mesures de diffraction des neutrons en fonction de la température et du champ appliqué. Ces travaux ont mis en évidence l'influence importante de la nature et du taux de terre–rare substitué à l'yttrium sur l'eet magnétocalorique.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à mieux comprendre le comportement des éléments traces – et notamment des éléments légers Li et B – lors des processus de dégazage magmatique par une approche géochimique, basée sur l'analyse de produits volcaniques naturels (laves, gaz, aérosols volcaniques) de deux volcans aux styles éruptifs très contrastés, le Piton de la Fournaise (Réunion) et le Lascar (Chili). Dans un premier temps, cette étude s'est intéressée au rôle des transferts de gaz dans le déclenchement des éruptions majeures et aux échelles de temps impliquées. L'étude des compositions en éléments traces des laves récentes (1998-2008) du Piton de la Fournaise nous a notamment permis d'identifier des anomalies transitoires en éléments volatils (p.e., Li, Cu, B, Tl, Bi, Cd) en début de l'éruption majeure d'avril 2007. La cinétique de fractionnement par diffusion des éléments explique les anomalies observées. Les courts laps de temps nécessaires pour fractionner par diffusion Li par rapport à Cd (minutes à quelques heures) et Bi par rapport à Cd (quelques heures à deux jours) soutiennent l'idée que les magmas ont subi des variations rapides de pression quelques jours avant l'effondrement du cratère du Dolomieu. Dans un second temps, ce travail de thèse a porté sur le dégazage passif du volcan Lascar. Le panache volcanique dilué a été échantillonné au cours de 3 missions d'échantillonnage, menées entre 2009 et 2012, et caractérisé en termes de gaz acides (SO2, HCl, HF) et d’éléments traces. Au cours de ces missions, des mesures de flux de SO2 par DOAS ont également été réalisées. Les données mettent en évidence deux sources principales qui contribuent à l'activité de dégazage observée en surface: un réservoir magmatique profond et un système hydrothermal superficiel. Les contributions des deux sources varient dans le temps en réponse aux changements de l'activité volcanique. Cette évolution temporelle a été démontrée non seulement avec des traceurs répandus comme le SO2 et HCl, mais aussi avec des éléments traces à la fois volatils et très mobiles tel que le B. Pour la détermination des teneurs en B de nos échantillons, nous avons développé une méthode de dosage très précise par dilution isotopique. Appliquées aux laves du Piton de la Fournaise, cette technique nous a permis d'estimer les quantités de B perdues lors des processus de dégazage magmatique (ϵB compris entre 10 et 30%) ainsi que leur dépendance aux conditions de dégazage (continu en système ouvert, processus pré-, syn- et post-éruptifs). Appliquées aux aérosols du Lascar, elle nous a permis de montrer que la volatilité du B est favorisée lors des processus hydrothermaux (interactions gaz-eau, gaz-roche). Enfin, appliquées à des enclaves de péridotites, cette technique nous a permis d'apporter des contraintes nouvelles sur le comportement du B dans le manteau terrestre et d'estimer la teneur en B du manteau primitif (0,26 ± 0,04 ppm). / This study is aimed at better understanding the behavior of trace elements – and notably those of light elements such as Li and B – during magma degassing processes. For this purpose, we used a geochemical approach based on the analysis of fresh lavas and volcanic aerosols from Piton de la Fournaise (Réunion) and Lascar (Chile) volcanoes, respectively. Firstly, this thesis work focused on the role of gas transfers in triggering major eruptions and the time scales involved. Trace element analyses of recent lavas (1998-2008) of Piton de la Fournaise reveal anomalous abundances of volatile elements (e.g., Li, Cu, B, Tl, Bi, Cd) a few days prior to the April 2007 summit collapse. The kinetic (diffusive) fractionation of elements accounts for the observed anomalies. The short time-scales required to fractionate Li from Cd diffusively (minutes to hours) and Cd from Bi (few hours to two days) support the idea that the magmas underwent rapid pressure variations a few days before the summit collapse.Secondly, this study concentrated on the quiescent degassing activity of Lascar volcano. Both major gaseous species and trace element enrichment in gas and aerosols collected in the sustained plume over the period 2009 to 2012 suggest the involvement of two main degassing sources with contrasted geochemical signatures: a deep magmatic reservoir and a shallow hydrothermal system. Contributions from these two dominant sources vary with time in response to changes in volcanic activity. This temporal evolution has been shown not only by well-known tracers such as SO2 and HCl, but also by a trace element both volatile and highly fluid-mobile such as B. To determine the bulk boron concentration of our samples, we have developed a robust low-blank method based on isotope dilution ICP-MS. Applied to lavas of Piton de la Fournaise, this technique allowed us to quantify the amount of B lost during magma degassing (10-30%) and its dependency on degassing conditions. Applied to aerosols of Lascar, it enabled us to show that B volatility is enhanced during hydrothermal processes (gas-water, gas-rock interactions). Finally, applied to fertile peridotite xenoliths, it led us to establish new constraints on the behavior of B during mantle processes and estimate a primitive mantle B content of 0.26 ± 0.04 ppm.

Ce travail analyse l'ensemble des paramètres nécessaires à la compréhension du mécanisme de la formation des cirques et des mouvements de versants actuels qui s'y rattachent, ceci en vue d 'y définir les conditions géotechniques indispensables au zonage du risque, comme à tout projet d ' aménagement. * La première partie présente les traits généraux de l'île, l'occupation du sol des cirques et souligne les particularités hydro-météorologiques. * La deuxième partie concerne tous les événements géologiques qui se sont produits avant l'arrêt de l'activité volcanique du Piton des Neiges , vers 25 000 ans BP , On y expose le contexte géotectonique , puis les données lithostratigraphiques et structurales, ainsi que l'altération hydrothermale subie par les matériaux originels, en faisant ressortir les faits géologiques qui ont une incidence marquée sur les caractéristiques géotechniques globales du massif. * La troisième partie analyse les modalités de l'action des principaux agents morphogénétiques présidant à l ' évolution des reliefs, lors des périodes de calme éruptif, et aboutit à une interprétation des mécanismes de la naissance et du développement des cirques . * la quatrième partie exploite le schéma de distribution spatiale et temporelle issu des analyses précédentes pour une analyse de la dynamique et de l'érosion des versants, une classification géotechnique des terrains et une méthodologie de zonage du risque

La region étudiée s'étend de Bourg St-Maurice (Savoie) à la Thuile (Val d 'Aoste-Italie) , entre la vallée du Reclus et le torrent du Versoyen. Elle correspond à la partie centrale de la zone du Roignais-Versoyen définie par Antoine (1971). . L'Etude pétrographique et géochimique des roches volcaniques basiques a été détaillée grâce aux analyses à la microsonde électronique des pyroxènes reliques et aux dosages des éléments de transition en traces (Cr, Ni, Co, V). Le volcanisme du Versoyen, d 'extension limiitée, s'est mis en place sous forme de sills dans une série pélitique meuble. Au sein des sills les plus épais (10 à 80 m) a été mise en évidence l' existence d'une différenciation sous faible pression partielle d'oxygène, à partir d'un magma tholéiitique hybride (caractère océanique avec quelques tendances continentales). Une spilitisation affecte, au cours de leur refroidissement, les dolérites cristallisées; il s'agit d'un processus hydrothermal se traduisant par la destabilisation de l'olivine, du plagioclase et dans une moindre mesure,du pyroxène, avec un gain en Na, Li, H20 et une perte en Ca, Sr, K, Ba, Rb. L'existence de sources hydrothermales liées à la spilitisation est établie. L'ensemble de ces formations a subi des recristallisations métamorphiques poussées lors de la phase éoalpine (plisse- ments isoclinaux d 'axe N50°). Une paragenèse Schistes Verts à glaucophane précède une paragenèse Schistes Verts de molndre pression. Le contrôle chimique de l'apparition de la première paragenèse est très marqué. Le massif basique de la Pointe du Clapey, au Sud de la région étudiée, est distingué du volcanisIne crétacé du Versoyen, sur des critères pétrographiques géochimiques et structuraux. Afin d 'expliquer la genèse de ce massif, l'hypothèse d 'un volcanisme liasique dans le bassin des calcschistes du Petit St - Bernard est proposée. Les volcanismes liasique et crétacé qui ne constituent en aucune manière des complexes ophiolitiques, sont dus à la distension d'une bordure continentale fragile.

Nous nous trouvons dans le prolongement ouest du Taurus, formant la liaison entre les Taurides ou les Iranides et les plis égéens. Stratigraphiquement, un net caractère mésogéen apparait dans la partie sud de la Turquie au Mésozoïque, mais l'orogène "alpin" individualise de façon extrême les domaines de sédimentation tertiaire . Nous retiendrons cependant deux traits caractérisant la Turquie; l'un concerne les structures, l'autre le volcanisme. Il y a un véritable enroulement des structures autour de noyaux de terrains "durs" cristallins et cristallophylliens, surtout dans la moltié ouest de la Turquie, avec le massif de Kir§ehir à l'E .d'Ankara et le massif du Menderes au SE d'Izmir . C'est à la bordure sud de ce massif que se rattachent les grandes lignes de la région étudiée. D'autre part un volcanisme basique et ultrabasique se répartit sur toute l'étendue de la Turquie et, semble-t-il, à différents niveaux . stratigraphiques. Nous retrouvons aussi ce deuxième caractère avec une importance particulière dans la région étudiée. Les formations quaternaires et néogènes mises à part, une coupe schématique donne de haut en bas: - des ultramafites ; - des écailles de terrains métamorphiques - des laves spilitiques et d es dia,bases ; - des terrains sédimentaires, avec: un ensemble supérieur nord, que nous appellerons ensem - ble de Koycegiz ;un ensemble inférieur nord que nous appellerons ensemble du Kepeztepe, auquel doit s'ajouter la coupe du Dalamau au Sud de la zone cartographiée, C'est cet ordre que nous suivrons dans le plan général, décri vant en plus, dans le chapitre des terrains sédimentaires, le Néogène et le Quaternaire .

Le Rift Est Africain (REA) s'étend sur 3500 km du triangle des Afars au golfe du Mozambique et recoupe les hauts plateaux de l'Afar et de l'Afrique de l'Est, considérés comme l'expression morphologique liée à la présence en profondeur de panache(s) mantellique(s) Cénozoïque(s). C'est actuellement le plus bel exemple observable sur Terre de rift magmatique « actif ». La cinématique extensive associée à la branche Est du REA, magmatique, s'est initiée vers 30 Ma en Afar, puis a évoluée vers le Sud, en impliquant de multiples cellules de propagation centrées sur le dôme du Kenya, pour atteindre l'extrémité Sud du rift kenyan vers 8 Ma. Située à ce niveau, la Divergence Nord Tanzanienne (DNT) se caractérise par des changements importants dans l'expression de surface du rifting , passant d'une vallée axiale Nord-Sud unique à trois branches divergentes (d'Ouest en Est : Eyasi, Natron-Manyara et Pangani). Dans ces dernières, la déformation est plus diffuse, principalement dominée par des systèmes de blocs basculés où l'héritage structural est prépondérant. Associé à ce changement structural, se met en place une chaîne volcanique Néogène d'orientation Est-Ouest, d'environ 200 km de long, dans laquelle on trouve des édifices volcaniques majeurs tels le Ngorongoro, le Mont Meru ou le Kilimandjaro.<br />Ce travail de thèse présente les résultats de l'étude volcano-structurale menée sur cette zone de rift divergent. L'originalité de notre approche provient de la combinaison d'outils complémentaires (terrain, pétrologie, radiochronologie, géochimie isotopique Sr-Nd et des éléments en traces), appliquées à une zone clé du REA. Ainsi, à l'échelle des principaux volcans de la DNT, et particulièrement pour le Ngorongoro et le Mt Meru, nous avons pu reconstituer leur activité Plio-Quaternaire en précisant les mécanismes de mise en place de leurs principales formations volcaniques. Cette approche locale a été étendue à l'échelle régionale en synthétisant les données radiochronologiques existantes, complétées par six nouveaux âges K-Ar. Nous avons ainsi pu reconstituer l'histoire volcano-tectonique de la DNT et proposer un modèle d'évolution spatio-temporel du volcanisme depuis 8 Ma. Ce dernier met en évidence une migration de l'activité magmatique vers l'Est entre 8 Ma et l'actuel avec une activité généralisée dans l'ensemble de la DNT à 2,5 Ma, qui accompagne l'extension de la déformation vers la branche de Pangani. Le Kilimandjaro, édifice majeur à l'échelle du Rift Africain, constitue le cœur de ce travail. La détermination de dix sept nouveaux âges K-Ar a permis de contraindre dans le temps les processus volcaniques ayant affecté les trois centres le constituant, et plus particulièrement le centre principal de Kibo pour lequel nous parvenons à reconstituer les dernières phases d'édification entre 492 ka et 165 ka. Grâce à l'approche pétrologique et géochimique réalisée sur les laves du Kilimandjaro, nous proposons un modèle d'évolution des sources mantelliques de ces magmas, en montrant qu'ils sont issus de la fusion partielle d'une source lithosphérique hétérogène à amphibole et grenat résiduels, ayant acquis ses caractéristiques géochimiques au cours de deux épisodes métasomatiques distincts : un premier, probablement d'âge Précambrien, et le deuxième, Plio-Quaternaire, provoqué par la percolation des magmas formés au sein du panache asthénosphérique sous-jacent. La généralisation de cette approche à l'échelle de la DNT, pour les laves primitives d'âges < 1 Ma, met en évidence des différences dans les processus pétrogénétiques à l'origine du magmatisme de cette région. Si sa manifestation, à l'Est de la DNT, présente des compositions caractéristiques d'une fertilisation de la lithosphère par l'activité sub-actuelle d'un panache, les laves émises à l'Ouest comportent des signatures géochimiques héritées d'un manteau lithosphérique métasomatisé au Précambrien, en accord avec les résultats obtenus sur les enclaves mantelliques. Le type de métasomatisme, sa localisation et sa période d'activité sont certainement liés à l'héritage structural, et particulièrement au positionnement relatif des blocs cratoniques Archéen et des zones transverses affectant les ceintures orogéniques Protérozoïques.

Cette thèse présente une étude expérimentale visant à caractériser les propriétés hydrauliquesd'écoulements à surface libre de fluides complexes: fluides viscoplastiques et mélangesfluides viscoplastiques-grains. Ce travail est motivé par la nécessité d'améliorer lesconnaissances sur les propriétés des écoulements de laves torrentielles, dans un contexte deprotection contre les risques naturels en montagne. Nous avons développé un dispositif delaboratoire original, un canal à fond mobile, permettant de générer des coulées gravitaires quisont globalement stationnaires dans le référentiel du laboratoire. Les coulées présentent unfront très raide, suivi à l'amont d'une zone d'épaisseur uniforme. Les fluides viscoplastiquesutilisés (carbopol et kaolin) ont été choisis de manière à modéliser la matrice des couléesboueuses naturelles en prenant en compte les critères de similitude adaptés. Ces fluidessuivent une loi de comportement de Herschel-Bulkley, et leurs propriétés rhéologiques ont étédéterminées au moyen d'un rhéomètre de laboratoire en accordant un soin particulier àl'établissement des incertitudes associées. Nous présentons des mesures précises de l'évolutionde l'épaisseur des coulées dans la zone uniforme en fonction de la vitesse du fond du canal etde la pente. Ces résultats sont comparés à des prédictions théoriques correspondant à unécoulement permanent et uniforme d'un fluide de Herschel-Bulkley, et nous montrons quel'accord est satisfaisant moyennant les incertitudes sur les mesures rhéologiques. Nous avonségalement analysé la forme du front des coulées et, là-aussi, l'accord avec des modèleshydrauliques (modèles de type Saint-Venant) est bon. Ces deux études permettent de validerles prédictions hydrauliques obtenues à partir de lois de comportement mesurées aurhéomètre. Enfin, dans une dernière partie, nous présentons une étude préliminaire de ladynamique de particules rigides isolées placées au sein de la coulée, en nous intéressant auxvitesses longitudinales et aux vitesses de chute pour différentes tailles et différentes densitésde particules.

L'objectif de cette thèse est de produire une méthodologie de restitution spatiale de la susceptibilité torrentielle à une échelle régionale. Les méthodes géomatiques et statistiques mises en œuvre visent à intégrer différents facteurs de prédisposition au phénomène de laves torrentielles, en particulier les caractéristiques morphométriques des tronçons et de leur bassin versant et leur potentiel de fourniture sédimentaire.La définition de modèles statistiques robustes a permis de prédire l'activité torrentielle à partir de la morphométrie des tronçons et de leur bassin versant, et permettent la discrimination des processus de laves torrentielles et de charriage.Au niveau des zones sources, le second facteur de prédisposition qu'est la disponibilité sédimentaire, est cartographié à partir de l'analyse des orthophotographies infrarouges de l'IGN©, puis est combiné à la susceptibilité morphométrique dans un SIG de manière experte. Ainsi, le potentiel sédimentaire des bassins versants sources vient pondérer la probabilité d'activité de lave torrentielle établie à partir du potentiel morphométrique dans le but de prédire la susceptibilité au déclenchement. Plus aval, la prédisposition à la propagation de laves torrentielles dépend des caractéristiques morphométriques et est également contrôlée par la susceptibilité torrentielle des biefs situés juste en amont (approche réseau). L'application de la démarche dans les Alpes du Sud a été validée avec 50 observations expertes.Cette thèse a conduit à la production des cartes des zones de déclenchement de laves torrentielles, et à l'identification de leur zone de propagation potentielle, intégrées à une plateforme de services (projet RHYTMME, Irstea et Météo-France). Elles peuvent être superposées avec les aléas de précipitations pour identifier les secteurs susceptibles à l'activité de laves torrentielles lors d'événements de précipitations de forte intensité.

Le modèle de couche mince intégré sur l'épaisseur, Saint-Venant, utilisé classiquement pour simuler la propagation de laves torrentielles et coulées boueuses, repose sur plusieurs approximations concernant la forme des profils de vitesse en zones non-uniformes. Il est pourtant nécessaire d'utiliser ce type de modélisation, comme outil d'aide à la gestion des risques liés aux laves torrentielles. Nous proposons d'éprouver ses hypothèses, en observant une zone fortement non-uniforme, le front de coulées à surface libre et le champ de vitesse à l'intérieur de cette zone.En améliorant notre connaissance de l'évolution de la forme des profils de vitesse (de la dynamique interne) au front de coulées, nous cherchons à améliorer les modèles de couche mince. Cette thèse porte donc sur l'étude de la dynamique interne au front d'écoulements à surface libre de fluides newtoniens et viscoplastiques.Nous avons utilisé le dispositif du canal à fond mobile qui permet de générer des coulées stationnaires dans le référentiel de l'observateur au moyen d'un fond mobile remontant vers l'amont. Nous avons réalisé un travail technique sur ce canal et sur l'analyse des images pour pouvoir mesurer les champs de vitesse à haute résolution spatiale aux fronts de coulées à surface libre de fluides viscoplastiques. L'étude des fluides newtoniens a aussi été réalisée afin de valider les modèles et éprouver le dispositif expérimental.Nous avons comparé les résultats expérimentaux aux solutions théoriques de deux modèles de couche mince adaptés à la rhéologie de Herschel-Bulkley : le modèle classique de la lubrification, à la base du modèle de Saint-Venant et un modèle consistant à l'ordre 1 développé dans cette thèse. Le modèle consistant d'ordre 1 est la somme du modèle à l'ordre 0 (la lubrification) et de termes correctifs qui proviennent des contraintes normales et des termes d'inertie. Dans le cadre de notre configuration du fond mobile remontant vers l'amont, il est possible de déduire la forme du front en cherchant une solution de type onde progressive, sans passer par un modèle intégré dans l'épaisseur.Pour les fluides viscoplastiques, la structure classique du profil de vitesse, avec une zone cisaillée surmontée d'un plug non cisaillé est bien reconnaissable sur nos profils de vitesse en zone uniforme, et en zone faiblement variée. Mais à l'approche du front, cependant, la vitesse de surface augmente, les profils de vitesse expérimentaux deviennent cisaillés sur toute l'épaisseur, conduisant à la disparition du plug à proximité de la ligne de front.Le modèle de lubrification prédit l’existence d'un plug dans le front jusqu'à la ligne de contact, ce qui n'est pas observé expérimentalement. La vitesse de surface du modèle de lubrification augmente à l'approche du front, mais est largement sous-estimée par rapport à la vitesse de surface mesurée. Les vitesses de surface prédites par le modèle d'ordre 1 augmentent plus drastiquement au front, en meilleur accord avec les mesures que le modèle de lubrification. Pour certaines configurations expérimentales l'accord est même très bon. Remarquablement, le cisaillement des profils de vitesse à l'approche du front, observé expérimentalement, est aussi prédit par le modèle d'ordre 1.Les profils de vitesse présentent donc une évolution au front de coulées viscoplastiques en contradiction avec les hypothèses du modèle de Saint-Venant. Le modèle consistant d'ordre 1 permet d'améliorer les prédictions. Un modèle intégré dans l'épaisseur de type Saint-Venant basé sur les développements consistants d'ordre 1 est alors calculé, car il constitue l'étape nécessaire avant d'être intégré dans un outil de simulation opérationnel. / A depth-averaged model based on the thin-layer assumption, called Saint-Venant (Shallow-Water), is classically used to simulate the propagation and the spreading of debris and mud flows. It is based on several approximations concerning the shape of the velocity profile in non-uniform zones. We propose to test these hypotheses, examining a strongly non-uniform zone, the front of free-surface viscoplastic flows and the velocity field within this zone. By improving our knowledge about the internal dynamics in the front zone, we seek to improve the thin-layer models. This thesis therefore focuses on the study of the internal dynamics within the front of viscoplatic free-surface flows.We used the moving conveyor belt to generate stationary flows. We carried out a technical work on this set-up, and specific analysis of images obtained from the high-speed camera, in order to be able to measure velocity fields with a high resolution. The study of a Newtonian fluid was also carried out in order to validate the lubrication model and the experimental device.We compared experimental results to theoretical solutions of two thin-layer models taking into account the Herschel-Bulkley rheology: the classical model of lubrication, which is at the base of Saint-Venant model, and a consistent first-order model specifically developed in this thesis.The first-order model is equal to the zero-order model (lubrication), plus corrective terms derived from the normal stresses and inertia terms.In this study, for the purpose of comparison with our experimental results, we are interested in travelling-wave solutions. We are able to solve the shape of the front without using a depth-averaged model.Far from the front, experimental velocity profiles clearly display the characteristic 2-layer structure predicted by the lubrication solution, with constant values close to the free-surface (plug) and a sheared layer underneath. Closer to surge tip, the shape of experimental longitudinal velocity profilesthen begins to differ from the theoretical prediction. The 2-layer structure tends to disappear, and the profiles display shear across the whole depth ofthe flow. In this tip region, surface velocity also appears to increase faster than its theoretical counterpart. Surface velocity predicted by the first-order model increase more drastically in the tip region, in better agreement with the measurements than the lubrication model. The first-order model predicts a sheared velocity profile when approaching the front, as observed experimentally.The consistent first-order model then provides better predictions about internal dynamics than lubrication model. A depth-integrated model like Saint-Venant, based on consistent first-order developments is then calculated, as a first step before being integrated into an operational simulation tool.