La géothermie est considérée comme une source d'énergie propre et inépuisable à échelle humaine. Actuellement, le rendement des centrales géothermiques est limité à l'exploitation de fluides de températures inférieures à 350 °C. L'association de l'activité tectonique et volcanique aux dorsales océaniques fait de l'Islande un lieu où l'extraction de fluides supercritiques (T> 375 °C) peut être envisagée. Cette exploitation pourrait multiplier par dix la puissance électrique délivrée par le système géothermal. Ces fluides peuvent-ils circuler dans la croûte océanique ? Ce travail propose de contraindre les observations géophysiques et de prédire le fonctionnement des réservoirs géo-hydrothermaux de très haute température par l'étude des propriétés physiques des basaltes. La première approche est focalisée sur l'étude de roches ayant accueilli une circulation hydrothermale par le passé. L'étude de ces roches au site ODP 1256, montre que leur porosité est associée à la présence de minéraux d'altération hydrothermale du facies amphibolite (T> 500 °C). La seconde approche a consisté à recréer, en laboratoire, les conditions des systèmes hydrothermaux, à très haute température, afin de prédire les propriétés mécaniques et électriques des basaltes dans ces conditions. Les résultats mécaniques indiquent que la transition fragile/ductile, souvent associée à une forte décroissance de perméabilité, intervient à une température d'environ 550 °C. La mise en place d'une cellule de mesure de la conductivité électrique de haute température a fourni les premiers résultats utiles à l'analyse des données géophysiques. Appliqués aux conditions de la croûte basaltique Islandaise, ces résultats indiquent que des fluides hydrothermaux pourraient circuler au moins transitoirement à l'état supercritique jusqu'à ~ 5 km de profondeur.

L'objectif de la thèse est de caractériser la variabilité climatique de la période Holocène (10 000-0 ans) en analysant des séries climatiques d'enregistrements marins, continentaux, glaciaires. Les enregistrements d'Atlantique Nord et Sud ainsi que l'océan Austral ont permis d'identifier deux types de fréquences millénaires : les premières s'expriment pendant le début de l'Holocène (10 000-5 000 BP) et sont similaires aux fréquences solaires, les secondes, pendant la fin de l'Holocène, suggèrent un forçage interne océanique. Ce schéma Holocène avec une circulation océanique qui s'établit à un régime stable à partir de 5 000 ans coïncide avec l'établissement du niveau marin à son niveau proche de l'actuel, en lien avec la disparition de la calotte Laurentides et les drainages d'eau douce en Atlantique Nord. À partir de 5 000 ans, les flux d'eau douce ne perturbent plus le gradient de salinité permettant l'établissement de la circulation thermohaline à son régime stable. En Antarctique, de nouvelles séries de données poussières couvrant les 2000 dernières années à Dôme C et Vostok ont été produites. Sur la période Holocène en analysant l'ensemble des données disponibles (isotopes stables, excès en Deutérium, poussières) pour différents sites sur le plateau Antarctique, il n'apparaît aucune structure persistante significative pour aucun des proxies. Au Groenland, les seules fréquences significatives dans le deutérium sont l'empreinte spectrale de l'événement 8 200 ans. Le signal climatique déduit des calottes polaires pour la période Holocène est masqué par des processus tels que les effets locaux, la sensibilité des proxy,...

L'analyse cartographique, lithostratigraphique et structurale des "Schistes lustrés" de Haute Ubaye permet de caractériser deux ensembles d'évènements tectoniques. Tectonique océanique mésozoïque : a) La description et l'interprétation d'une quinzaine de coupes dans les unités ligures permettent de déterminer : - les modalités de mise en place et de structuration de la lithosphère océanique de la Téthys ligure. Le socle océanique était découpé en une mosaique de blocs mobiles, par des failles localement injectées de serpentinite. - les conditions de sédimentation dans le domaine ligure, au Jurassique et au Crétacé. Après la sédimentation de radiolarites à l'Oxfordien-Kimméridglen et le dépôt ubiquiste de calcaires au Malm, les alternances pélagiques du Crétacé sont fréquemment remaniées bu intercalées de niveaux détritiques. Les masses de calcschistes jusqu'alors indéterminés sont attribués à différents termes de la succession ligure. b) Une chronologie des évènemènts tectoniques et sédimentaires qu'a subi le domaine ligure est proposée. c) L'analyse Iithostratigraphique de l'unité de la Cula, attribuée aux "Ecailles intermédiaires", montre que la Formation bréchique du Longet présente un détritisme mixte océanique et continental. On suppose que la série de la Cula s'est déposée sur une croûte ultramafique apparue entre le domaine briançonnais et le domaine piémontais, au Jurassique moyen·supérieur. Tectonique alpine cénozoïque : L'analyse structurale fait apparaître quatre phases de déformation synschisteuse. Trois générations superposées de plis principaux sont reconnues à toutes les échelles. L'importance des structures transverses à la chaîne est soulignée. Un schéma structural est établi et une reconstitution tectogénétique est proposée pour les Schistes lustrés de Haute Ubaye. En conclusion, les résultats obtenus sont replacés dans le schéma classique de l'évolution géodynamique du domaine téthysien, au cours du "Cycle Alpin". Des interférences entre paléostructures océaniques et structures alpines sont mises en évidence.

La température de surface de l'océan (SST) est depuis l'avènement des satellites, l'une des variables océaniques la mieux observée. Les modèles réalistes de circulation générale océanique ne la prennent pourtant pas en compte explicitement dans leur fonction de forçage. Dans cette dernière, seules interviennent les variables atmosphériques à proximité de la surface (température, humidité, vitesse du vent, radiations descendantes et précipitations) connues pour être entachées d'incertitudes importantes dès lors qu'on considère l'objectif d'étudier la variabilité à long terme de l'océan et son rôle climatique. La SST est alors classiquement utilisée en assimilation de données pour contraindre l'état du modèle vers une solution en accord avec les observations mais sans corriger la fonction de forçage. Cette approche présente cependant les inconvénients de l'incohérence existant potentiellement entre la solution " forcée " et " assimilée ". On se propose dans cette thèse de développer dans un contexte réaliste une méthode d'assimilation de données de SST observée pour corriger les paramètres de forçage atmosphérique sans correction de l'état océanique. Le jeu de forçage faisant l'objet de ces corrections est composé des variables atmosphériques issues de la réanalyse ERAinterim entre 1989 et 2007. On utilise pour l'estimation de paramètres une méthode séquentielle basée sur le filtre de Kalman, où le vecteur d'état est augmenté des variables de forçage dont la distribution de probabilité a priori est évaluée via des expériences d'ensemble. On évalue ainsi des corrections de forçage mensuelles applicables dans un modèle libre pour la période 1989-2007 en assimilant la SST issue de la base de données de Hurrel (Hurrel, 2008), ainsi qu'une climatologie de salinité de surface (Levitus, 1994). Cette étude démontre la faisabilité d'une telle démarche dans un contexte réaliste, ainsi que l'amélioration de la représentation des flux océan-atmosphère par l'exploitation d'observations de la surface de l'océan.

L'Océan Austral est le siège de processus de formation d'eaux modales, profondes et de fond, ce qui en fait un acteur d'importance dans la séquestration du carbone anthropique. Dans cette étude la distribution de carbone anthropique dans l'Océan Austral a été analysée en employant différentes méthodes diagnostiques. Les résultats déduits d'observations collectées à la frontière Indien-Atlantique (WOCE/CIVA2) montrent des inventaires de carbone anthropique plus élevés que les précédentes estimations basées sur les observations ou déduites de modèles océaniques. Parallèlement à l'invasion de carbone anthropique, le cycle du carbone océanique subit l'impact du changement climatique à travers la modification des processus dynamiques et biogéochimiques. L'analyse de données acquises entre 1978 et 2001 (GEOSECS, INDIGO, WOCE et OISO) montre que l'accroissement de carbone inorganique dissous (DIC) dans les Eaux de Mode (300-800m) est significatif sur les deux décennies. Sur la période 1985-2001, il est montré que les variations de DIC observées dans ces masses d'eau sont inférieures à l'accroissement de carbone anthropique. La différence, associée à une diminution des concentrations moyennes d'oxygène, pourrait être expliquée par une modification de la production primaire dans la région frontale circumpolaire. L'ensemble de ces résultats suggère, d'une part, de réviser les inventaires de carbone anthropique à l'échelle de l'Océan Austral et, d'autre part, de mieux prendre en compte le couplage entre cycles biogéochimiques et forçages climatiques pour séparer la variabilité naturelle et les impacts anthropiques dans l'océan.

Le système Zambèze localisé sur le versant est de l'Afrique est caractérisé par un système turbiditique de très grande dimension (x 100 km) et est associé à terre au troisième plus grand bassin versant d'Afrique (1 320 000 km2) après ceux du Nil et du Congo. A ce jour, peu d'études ont porté sur l'évolution du système terre - mer depuis le bassin versant en érosion jusqu'au bassin en sédimentation. Ce travail s'attachera à : [1] caractériser et à discuter l'origine des déformations enregistrées dans le système sédimentaire Zambèze depuis 155 Ma, [2] quantifier les bilans érosion - sédimentation du système du Zambèze, pour une meilleure compréhension du routage sédimentaire. / The Zambezi system located on the eastern slope of Africa is characterized by a turbiditic system of very large size (x 100 km) and is associated onshore to the third largest watershed in Africa (1,320,000 km2) after those of the Nile and Congo. Few studies have examined the evolution of the land - sea system from the eroding catchment to the sedimentation basin. This work will focus on: [1] characterize and discuss the origin of the deformations recorded in the Zambezi sedimentary system since 155 Ma, [2] quantify the erosion-sedimentation balances of the Zambezi system, for a better understanding of the sedimentary routing

L’objectif de cette thèse est de comprendre (1) si l’exhumation des roches mantelliques aux dorsales océaniques est compatible avec l’enregistrement des inversions de polarité du champ magnétique terrestre, (2) quels sont les processus associés aux anomalies magnétiques observées à l’aplomb des transitions océan-continent et (3) quelles sont les conséquences de ces processus sur les mécanismes de l’océanisation. Afin de travailler avec des données de résolution maximum, une méthode de calibration et d’interprétation des données magnétiques acquises proches du fond est développée dans le premier chapitre. Dans le deuxième chapitre, cette méthode est appliquée aux données magnétiques acquises à l’aplomb des domaines de manteau exhumé de la dorsale Sud-Ouest Indienne (SWIR). Il est ensuite montré que l’exhumation des roches mantelliques est associée à un signal magnétique de faible amplitude et de faible continuité spatiale rendant impossible l’identification des anomalies magnétiques d’accrétion océanique. De fait, il est proposé que contrairement aux basaltes, les roches mantelliques exhumées de la SWIR ne portent pas une aimantation rémanente suffisamment stable pour fossiliser la direction du champ magnétique terrestre. Dans le dernier chapitre, il est démontré que l’anomalie « J », antérieurement interprétée comme la première isochrone associée à la partie distale des marges Ibérie/Terre-Neuve, est en fait identifiée à l’aplomb d’une structure crustale particulière caractérisée par un haut topographique et un épaississement crustal. Par conséquent, il est proposé qu’un évènement magmatique majeur est à l’origine de la création de cette structure crustale et que cet événement est le déclencheur de la mise en place de la première dorsale océanique. / The aim of this work is to constrain (1) whether exhumation of mantle rocks at mid oceanic ridges is compatible with the record of polarity reversals of the Earth magnetic field, (2) what is the origin and the processes responsible for the magnetic anomalies observed at magma-poor rifted margins and (3) what are the consequences of these processes on continental breakup. In a first part, in order to work with high-resolution data, we develop a method for calibration and interpretation of deep-tow three component magnetic data. In a second part, we apply these methods to the data acquired above the large exhumed mantle domains of the ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge. We show that, in these areas, neither the magnetic properties of the dredge samples nor the deep-tow magnetic data are consistent with the seafloor-spreading magnetic pattern commonly observed at mid oceanic ridges. We further suggest that in contrast to mid oceanic ridges basalts the exhumed serpentinized mantle rocks do not carry a sufficiently stable remanant magnetization to produce marine magnetic anomalies. In the last part, we show that the “J” anomaly, previously interpreted as the first seafloor-spreading anomaly of the Iberia and Newfoundland passive margins, is associated with locally high topography and thickened crust. We propose that this peculiar crustal structure results from voluminous magma both erupted at the surface and added beneath the exhumed mantle domain. We therefore propose that the J anomaly did not form during seafloor spreading but instead represents a pulse of magmatism that have triggered continental breakup.

L’extrémité sud du système du courant des Canaries comprend un centre d’upwelling (résurgence localisée d’eaux froides sous l’action de vents favorables) qui a jusqu’ici reçu peu d’attention. Ma thèse porte sur la dynamique de ce centre d’upwelling sud Sénégal ou SSUC (Southern Senegal Upwelling Center en anglais). Elle s’intéresse donc à la circulation et à la structure thermohaline sur le large plateau sud-sénégalais, entre la côte et _100-200 km au large en se focalisant sur la période d’upwelling (Novembre-Mai). Une des particularités de la zone est la séparation entre la zone d’upwelling au centre du plateau et des eaux plus chaudes au large et à la côte. Mes travaux combinent analyse d’images satellite et d’observations in-situ, avec la réalisation et l’analyse de simulations numériques dans l’état de l’art. Par une analyse fine des conditions physiques de la zone, ils posent la base à une approche intégrée du fonctionnement de l’environnement marin sénégalais. Une première partie des résultats se base sur l’examen et l’analyse de plus de 1500 images satellite de température de surface de la mer SST MODIS, contextualisées par rapport aux conditions synoptiques de vent. Cette analyse met en lumière l’existence d’états récurrents du SSUC, en termes de SST. Elles confirment plus généralement la régularité et la stabilité du fonctionnement dynamique du système, mais aussi révèlent des aspects subtils de la structure de l’upwelling : refroidissement des eaux de surface probablement dû au déferlement et au mélange associé à la marée interne ; interaction complexe entre la remontée locale, le courant de Mauritanie et le jet côtier ; complexité probable des échanges entre les différentes parties du plateau (plateau intérieur accueillant des eaux réchauffées, plateau central où est fréquemment situé la langue d’eau froide). L’amplitude du cycle diurne suggère que de grandes incertitudes restent à lever dans le budget de chaleur de l’upwelling . Les limites des études soulignent la nécessité de continuer la mesure in situ dans le SSUC, en particulier des vents. Le fonctionnement dynamique du SSUC est aussi étudié par la modélisation hydrodynamique (ROMS) à haute résolution (_2km). Différentes simulations ont été réalisées en variant les forçages (climatologiques ou synoptiques pour le vent ; modification fine échelle des flux de chaleur en domaine côtier ; présence ou absence de marée). Les solutions numériques montrent en général un bon accord avec les observations satellite et in situ disponibles. Ces solutions éclairent le fonctionnement dynamique du système notamment en termes de circulation, de position de remontée d’upwelling, mais également du devenir des eaux upwellées grâce à une analyse lagrangienne. Nous avons notamment pu montrer que la zone nord du SSUC est la zone principale de remontée et les eaux qui y remontent, proviennent en grande majorité de la zone sud du SSUC d’où elles sont amenées par le courant de Mauritanie. Les analyses lagrangiennes ont aussi permis de - 3 - révéler la dynamique associée à la zone côtière de nourricerie et de nuancer le schéma conceptuel de rétention précédemment admis. La sensibilité de la dynamique du SSUC aux forçages atmosphériques est modeste avec néanmoins des modulations des échanges cross-shore qui peuvent être importantes pour l’écosystème. / The southern end of the Canary current system comprises of an original upwelling center that has so far received little attention. This Ph.D. Thesis focuses on the dynamical functioning of the Southern Senegal-Gambia Upwelling Center (SSUC). We are interested in the upwelling circulation and thermohaline structure on the shelf between the coastline and 100-200 km offshore. Our focus is on the upwelling period (November to May). The main originality of the SSUC compared to other upwelling centers stems from its continental shelf that is broad and shallow (20–30 m over tens of kilometers). The normal state of the system comprises the classical upwelling front but also a well-defined inner-shelf front that separates cold upwelled waters from nearshore warmer waters. We investigate its dynamical functioning using analysed satellite images, in situ data and state-of-theart 3D numerical simulations. Through a fine-scale analysis of the physical conditions of the SSUC, this work poses the basis of an integrated approach to the Senegalese marine environment functioning. A first part of results is based on the careful examinations and analysis of over 1500 satellite images of sea surface temperature scenes contextualized with respect to wind conditions. Analysis confirm the regularity and stability of the SSUC dynamical functioning (as manifested by the recurrence and persistence of particular SST patterns). The analysis also reveal subtle aspects of its upwelling structure : shelf break cooling of surface waters consistent with internal tide breaking/mixing ; complex interplay between local upwelling and the Mauritanian current off the Cape Verde headland ; complexity of the inner-shelf/mid shelf frontal transition. The amplitude of the diurnal cycle suggests that large uncertainties exist in the SSUC heat budget. The studies limitations underscore the need for continuous in situ measurement in the SSUC, particularly of winds. The dynamical functioning of SSUC is also investigated by means of numerical simulations, using the hydrodynamical Regional Ocean Modeling System ROMS (_x _ 2 km). Different simulations have been carried with varying forcings (climatological or synoptic wind ; fine-scale adjustments of heat flux in coastal area ; presence or absence of tides). Numerical solutions show a good agreement with available satellite and in situ observations . These solutions clarify the dynamical functioning of the system especially in terms of circulation, location of cold water upwelling but also fate of upwelled water through a Lagrangian analysis. We show in particular that the northern part of the SSUC is the main upwelling area. Waters that upwelled in this area predominantly come from the southern of the SSUC, through advection by the Mauritanian current. Lagrangian analysis also revealed the dynamics associated with the coastal area of nursery and nuance the conceptual retention scheme previously admitted. The sensitivity of the dynamics of SSUC to atmospheric forcings is modest with nevertheless some modulations of the cross-shore exchanges that may be important to the ecosystem.

Le milieu océanique est sujet à de nombreuses sources de fluctuations. Les plus importantes sont les ondes internes, très fréquentes et entrainant des fluctuations de la distribution spatiale du champ de célérité du son. En raison de la longue période de ces phénomènes comparée au temps de propagation des ondes acoustiques pour des applications sonar, le processus peut être considéré figé dans le temps pour chaque réalisation stochastique du milieu. Le développement de bancs d’essais permettant de reproduire les effets de la turbulence atmosphérique a permis des avancées considérables dans le domaine de l’optique adaptative. Nous voyons donc un fort intérêt dans la possibilité de reproduire les effets des ondes internes sur la propagation du son en environnement contrôlé. Un protocole expérimental dans une cuve d’eau est proposé: une onde ultrasonore est transmise à travers une lentille acoustique aléatoirement rugueuse, ce qui produit des distorsions du front d’onde reçu. Les fluctuations des signaux reçus sont contrôlées en modifiant les paramètres statistiques de rugosité de la lentille. Ces paramètres sont reliés à l’analyse dimensionnelle permettant de classifier les configurations étudiées selon des régimes de fluctuations et de prédire les moments statistiques du champ acoustique jusqu’à l’ordre quatre. Une excellente correspondance est observée entre notre protocole expérimental et des résultats théoriques et numériques.La dégradation des performances des techniques de détection classiques appliquées à nos données expérimentales souligne le besoin de techniques correctives. Un état de l’art des techniques existantes dans divers domaines est proposé. / The ocean medium is subject to many sources of fluctuations. The most critical ones were found to be internal waves, occurring frequently and inducing fluctuations of the spatial distribution of the sound speed field. Because of the fairly long period of this phenomenon as compared to the propagation time of acoustic waves for sonar applications, the process can be considered frozen in time for each stochastic realization of the medium. The development of testbenches allowing to reproduce the effect of atmospheric turbulence on optic waves propagation under laboratory conditions lead to considerable advancements in the field of adaptive optics. We therefore see a vivid interest in being able to reproduce the effects of internal waves on sound propagation in controlled environments. An experimental protocol in a water tank is proposed: an ultrasonic wave is transmitted through a randomly rough acoustic lens, producing distortions of the received wavefront. The induced signal fluctuations are controlled by tuning the statistical parameters of the roughness of the lens. Especially, they are linked to dimensional parameters allowing to classify the configurations into regimes of fluctuations and to predict the statistical moment of the acoustic pressure up to the fourth order. A remarkable relevance of our experimental scheme is found when compared to theoretical and simulation results. The degradation of classical signal processing techniques when applied to our acquired data highlights the need for corrective detection techniques. A review of the existing techniques in other domains is proposed.

L'objectif de cette thèse est d'extraire la composante du courant de surface océanique dans l'axe de visée radar (ou direction radiale) à partir des informations enregistrées par un radar à synthèse d'ouverture (SAR) embarqué sur satellite. Nous analysons le décalage Doppler du signal reçu par le SAR à bord d'ENVISAT. Ce travail vise principalement à séparer, sur le décalage Doppler, la contribution des vagues et celle du courant ainsi qu'à étendre cette analyse à de larges scènes observées sous de multiples angles d'incidence. Cette étude se limite à la polarisation verticale et à la bande de fréquence C. La recherche de la signature de courant s'appuie sur l'hypothèse que le décalage Doppler ne résulte que des mouvements des vagues et du courant. De plus, nous supposons, dans une première étape, que le courant sur la surface d'estimation du décalage Doppler est uniforme. Suivant ces hypothèses, la contribution du courant peut être déduite du décalage Doppler au moyen d'une soustraction à partir de la contribution des vagues. Ces dernières ont des longueurs d'onde relativement courtes typiques de la mer du vent. L'utilisation pratique de l'information de vent à 10~m de la surface pour estimer la contribution des vagues est évaluée. La méthode d'extraction de la composante radiale du courant est mise au point et testée, dans un premier temps, pour un angle d'incidence constant de 23° à partir d'imagettes ponctuelles réparties sur l'ensemble des océans. La comparaison des moyennes mensuelles de la composante du courant extraite des données SAR avec les climatologies mensuelles issues des mesures de courant in-situ indique une erreur RMS de 0,35 m/s. Dans un second temps, la même méthodologie est appliquée à des images de grande taille (400 km par 400 km au minimum) pour lesquelles l'angle d'incidence local varie de 16 à 42°. Cette nouvelle configuration nécessite une analyse préalable de l'effet de l'angle d'incidence sur le décalage Doppler. Nous montrons que la contribution relative du courant au décalage Doppler augmente avec l'angle d'incidence et varie également en fonction de la direction du vent par rapport à la direction radiale. Les vitesses extraites des données SAR présentent un accord quantitatif avec les mesures de courant de capteurs in-situ. Ce résultat est encourageant pour le développement d'une application opérationnelle de cette méthode. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à un cas plus complexe pour lequel l'existence de courant côtier fortement variable ne permet plus de faire l'hypothèse de courant uniforme sur la surface d'estimation du décalage Doppler. Nous analysons dans ce cas des cartes de décalage Doppler à une résolution de l'ordre du kilomètre. Malgré la complexité de la situation, là encore, la confrontation des vitesses déduites du décalage Doppler avec des cartes de courant de marée indique le large potentiel des images SAR pour restituer une information de courant de surface à haute résolution.