Le Piton de la Fournaise est l'un des volcans les plus actifs au monde. Depuis mi-2003, 14 éruptions sont survenues. Une surveillance en continu de cette période d'intense activité a été réalisée à partir de données ASAR-ENVISAT. Les interférogrammes calculés fournissent un enregistrement précis des déplacements de l'édifice. L'étude a permis de démontrer le fort potentiel de l'InSAR comme outil de surveillance opérationnelle de l'activité du Piton de la Fournaise. De plus, les données InSAR ont été utilisées afin de caractériser les sources des déplacements afin de mieux comprendre la géométrie des systèmes de stockage et les modalités de transfert de magma dans l'édifice. L'analyse des données en utilisant une méthode 3D-MBEM mixtes combinée à une inversion de type Monte-Carlo a été réalisée. La plupart des déplacements co-éruptifs peut être expliquée par l'injection de dykes à pendage 45° à 70° vers l'Est ou sub-verticaux s'enracinant sous le cône sommital vers 1500 m d'altitude.

L'influence d'un système hydrothermal au sein d'un édifice volcanique est un concept encore peu étudiée au regard de son importance pour la stabilité d'un volcan. Ce travail s'intéresse à la relation entre système hydrothermal et tectonique à travers l'étude des déformations engendrées dans un cône volcanique par le fluage de roches affectées par l'altération hydrothermale. La présence de ces argiles, ductiles à l'échelle de temps considérée, modifie profondément le comportement d'un édifice volcanique au cours de son évolution, pouvant conduire à la formation de grandes structures d'effondrement de type caldera. La confrontation de modèles analogiques avec la géologie et les données géophysiques nous permet de contraindre dans ce sens l'interprétation des structures d'effondrement observées par exemple sur Nuku Hiva (Polynésie française) et sur le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion). La modélisation analogique montre également que la formation du plancher plat d'une caldera peut être le résultat d'un processus syneffondrement, ne nécessitant pas de resurfaçage postérieur par érosion ou mise en place de nouveaux produits éruptifs. Les expériences nous permettent d'identifier la pente du cône et la diminution des contraintes latérales sur l'édifice comme les paramètres prépondérants à l'origine de la déformation. Les variations de ces paramètres sont déterminantes pour la morphologie de la caldera.

Ce travail de thèse a porté sur différents aspects de la prédiction des éruptions. La première partie, basée sur une approche statistique de l'information, nous a permis d'aborder la prédictabilité des éruptions de façon globale, et d'avoir une vision intégrée, à différentes échelles, de la dynamique éruptive. La dernière partie basée sur une approche déterministe du signal, nous a emmené de façon plus indirecte vers la prédiction des éruptions par le biais de l'analyse et la modélisation des comportements éruptifs d'un unique volcan à travers la sismicité. Ce travail de thèse nous a donc permis de traverser plusieurs échelles de temps et d'espace, en partant de la plus large, la Terre dans sa globalité, pour se concentrer ensuite sur le cas d'un volcan unique, le Piton de la Fournaise et finalement se focaliser sur une propriété spécifique de la sismicité du Piton de la Fournaise à travers la détermination des mécanismes source. Dans un premier temps, une analyse descriptive des propriétés statistiques de la dynamique éruptive à l'échelle mondiale et l'apparition de lois puissances à différentes échelles nous ont permis de relier la dynamique des éruptions à celle d'un système critique auto-organisé, justifiant de la difficulté rencontrée à prédire les éruptions de façon déterministe et de la nécessité de se tourner vers les méthodes statistiques. L'étude à l'échelle mondiale des lois d'Omori retrouvées pour la sismicité autour des éruptions, ainsi que l'analyse des propriétés de ces lois d'Omori en fonction de la taille des éruptions, suggèrent que l'énergie d'endommagement et de relaxation dans la croûte est distribuée en loi puissance autour des éruptions, mais avec des coefficients de chargement et de relaxation différents de la sismicité tectonique classique, et donc dépendant des processus qui génèrent l'endommagement. En zoomant sur trois observables du Piton de la Fournaise (sismicité, déformation et variations de vitesse sismique), nous avons montré que les comportement respectifs des observables imagent les différentes étapes du processus éruptif, pour différentes échelles de temps et d'espace. L'analyse des comportements pré-éruptifs et l'utilisation de méthodes de "pattern recognition" ont permis de mettre en évidence l'apport de la combinaison des informations des différents précurseurs dans l'amélioration des résultats de prédiction. Enfin, l'analyse plus spécifique et déterministe des mécanismes source au Piton de la Fournaise, à partir d'une méthode développée pour le contexte particulier d'une sismicité de magnitude très faible en milieu fortement hétérogène, a permis de mettre en évidence l'apparition de trois familles d'événements similaires. Deux de ces familles peuvent être interprétées comme l'ajustement du milieu au passage du dyke, la troisième famille correspondant à la signature de l'interaction entre les fluides et l'édifice volcanique au niveau du toit de la chambre magmatique.

Après cinq ans et demi de sommeil, le volcan du Piton de la Fournaise (île de la Réunion, Océan Indien) est entré dans un nouveau cycle d'activité en mars 1998. Des données d'interférométrie radar (InSAR) montrent que des déplacements complexes sont associés aux cinq premières éruptions du cycle survenues entre 1998 et 2000. Une méthode a été développée pour déterminer des géométries réalistes et les surpressions des intrusions de dykes à partir de données InSAR. Cette méthode est basée sur la combinaison d'une méthode d'éléments frontières 3D et d'une inversion de type Monte Carlo. Les caractéristiques du bruit des données sont prises en compte dans les inversions. Des tests synthétiques montrent qu'un modèle est retrouvé avec succès dans la limite d'intervalles de confiance étroits. Il a été montré que négliger la topographie induit une erreur de modélisation en profondeur et une surestimation des surpressions ou des ouvertures. L'application de la méthode à chaque éruption requiert des paramétrisations spécifiques des modèles. Dans certains cas, un dyke incurvé en surface doit être introduit, dans d'autres, l'inversion simultanée de deux dykes est nécessaire. La plupart des dykes déterminés ont un pendage vers la mer de 65 degrés. Le dyke associé à la première éruption du cycle (mars 1998) s'enracine au niveau de la mer (2600m sous le sommet), tandis que les dykes suivants sont situés à moins de 1000m sous la surface du sol. La forme latéralement allongée des dykes, les déformations pré-éruptives et les essaims sismiques peuvent être expliqués par un niveau de flottabilité neutre situé à moins de 1000m sous la surface. Ceci est cohérent avec la présence de réservoirs magmatiques à ce niveau. La périodicité spatiale des intrusions de dykes, du flanc nord au flanc sud, est cohérente avec les modèles de transfert de contraintes. Finalement, des analyses en terme de contraintes de Coulomb montrent que les cinq éruptions modélisées ont principalement favorisé le glissement sur des plans potentiels subhorizontaux situés entre 1000 et 1500m au dessus du niveau de la mer.

La sismicité associée à l'activité d'un volcan intraplaque tel que le Piton de la Fournaise se développe, a priori, sans aucun contrôle tectonique régional. La com- plexité des structures internes et le fonctionnement des structures de stockage et de transfert magmatique déclenchent une sismicité partiellement récurrente. Cette récurrence de la sismicité s'observe grâce aux formes d'ondes des séismes, quasiment identiques, et témoigne de la réactivation d'une même source. Notre étude exploite la partie récurrente de la sismicité volcano-tectonique du Piton de la Fournaise entre 2000 et 2008, dans le but d'identifier les sources et de déterminer la structure interne du volcan et son fonctionnement. En utilisant les données du réseau sismologique de l'Observatoire Volcanologique du Piton de la Fournaise, nous avons regroupé par familles les séismes ayant les mêmes formes d'ondes. Puis, nous avons mesuré des différences de temps de trajet entre les séismes d'une même famille. Ces derniers sont relocalisés par la méthode de double différence et leur mécanisme au foyer est déter- miné synthétiquement en conservant l'hypothèse de l'activité d'une même source. Les déterminations et les relocalisations sont utilisées pour extraire les orientations du plan de faille et du glissement cosismique de chaque famille. Nous avons ainsi pu cartographier les zones sismogènes et observer leur comportement lors des périodes de préparation des éruptions. Ces observations ont permis de construire un modèle descriptif des phénomènes intrusifs sismogènes associés aux éruptions distales du Pi- ton de la Fournaise. Le champ de contraintes induit par chaque objet de ce modèle a été modélisé numériquement en utilisant la méthode des éléments finis pour vérifier la validité du modèle descriptif. Notre étude est limitée par la non-exhaustivité des jeux de données utilisés. Notre méthode d'analyse de la sismicité a donc été com- binée à une méthode de détection et d'estimation précise des temps d'arrivée des ondes P et S, ce qui a permis d'appliquer les apports de cette thèse à la surveillance en temps réel des volcans.

Ce premier travail de thèse sur les plantes non vasculaires de La Réunion visait à mesurer et à expliquer la diversité des communautés de bryophytes à différentes échelles de perception. Les résultats ont confirmé que les bryophytes constituent un compartiment majeur de la biodiversité à La Réunion représentant actuellement 753 espèces. Cette étude en trois ans a mis en évidence la présence d'environ 100 taxons nouveaux pour l'île et une espèce nouvelle pour la Science ce qui souligne le besoin d'échantillonnage d'un tel groupe biologique. L'utilisation du site naturel expérimental que sont les coulées de lave du Piton de la Fournaise a permis d'étudier pour la première fois la dynamique de la végétation des bryophytes et de mettre en évidence une forte diversité spécifique le long d'une chronoséquence de six coulées de laves à basse altitude (~ 304 ans) et d'un gradient altitudinal (250 - 850 m) sur la coulée 1986. Cette diversité est principalement représentée par les hépatiques, plus particulièrement la famille des Lejeuneaceae. L'analyse de la distribution spatiale des bryophytes à une échelle fine le long de ces gradients a montré un turn over des microhabitats et de sa bryoflore associée en fonction de l'age des coulées et de l'altitude, et du rôle prédominant de la présence et la disponibilité de ces microhabitats dans la structuration des communautés bryophytiques. Vingt six groupements de bryophytes ont été caractérisés pour ces coulées. Le patron biogéographique des espèces recensées sur ces coulées de laves reflète principalement une origine africaine (66.5 % des espèces) suivi par des espèces à plus large distribution (pantropicale, paléotropicale, subcosmopolite et disjoncte entre l'Amérique et l'Afrique). A plus large échelle, cette étude s'inscrit dans un programme de recherches visant à obtenir une meilleure connaissance de la diversité bryophytique et de l'écologie des espèces pour la zone ouest de l'océan Indien (Réunion, Comores, Seychelles, Maurice, Madagascar) en vue d'une meilleure stratégie de conservation et de gestion du patrimoine naturel de ce hot spot de biodiversité.

Dans ce travail nous étudions la réponse sismique d'un volcan à différents processus magmatiques, avec l'objectif de remonter à la physique qui les dirige. Les séries temporelles de sismicité enregistrées sur des volcans basaltiques nous ont permis d'identifier des motifs caractéristiques d'activité sismique pendant les phases (i) inter-éruptive, (ii) d'alimentation du réservoir, (iii) de fissuration du réservoir et fuite du magma, et (iv) d'injection de dyke. La sismicité enregistrée pendant les phases de repos reproduit le comportement de la sismicité tectonique ordinaire. Pendant la dernière phase immédiatement précédente l'éruption, nous observons un taux de sismicité stationnaire sur différents volcans, qui accompagne l'injection du dyke. Il nous révèle que la propagation de la fracture, guidée par le fluide, est un processus stationnaire, indépendant de l´échelle. De telles caractéristiques évoquent l'endommagement enregistré lors d'essais de fluage à déformation contrôlée, et impliquent l'impossibilité de prédire le temps d'occurrence de l'éruption. Cela suggère que le taux de sismicité stationnaire qui accompagne une intrusion est proportionnel à un taux constant d'approvisionnement de magma du réservoir. Grâce à un modèle numérique de propagation de dyke, nous avons validé l'hypothèse qu'un flux constant de magma qui alimente le dyke est en accord avec la dynamique du volcan. L'application de ce modèle nous permet alors de contraindre une taille minimale pour le réservoir magmatique et une valeur maximale pour la surpression du magma dans le réservoir du Piton de la Fournaise (Réunion). L'exploration de la séquence sismique induite par l'intrusion d'un dyke en 2000 aux Îles Izu (Japon) nous permet de quantifier les perturbations de contrainte induites en temps et en espace par ce gigantesque dyke. Nous montrons que l'intrusion d'un dyke peut être assimilée à un ”événement lent”. Cela nous permet de suivre l'évolution de l'endommagement de la matrice rocheuse au cours de la propagation de la fracture. Pour le volcan andésitique Ubinas (Pérou), nous identifions une accélération moyenne de sismicité Long Période (LP) précédant les explosions et autres LP. Cela apporte de nouvelles évidences que les LP correspondent à un endommagement fragile au sein d'un conduit rempli de fluide.

La gestion des crises volcaniques constitue un sujet d'étude marginal, tous domaines de recherche confondus. La complexité des phénomènes volcaniques (aléas multiples, incertitude des prévisions), l'absence de cadre conceptuel et méthodologique établi pour l'étude des crises, les opportunités réduites de vivre des crises volcaniques, et la focalisation des chercheurs en sciences de la Terre sur l'aléa sont autant de raisons qui expliquent ce manque d'engagement. Cette thèse a pour objectif de combler partiellement ces lacunes en capitalisant des analyses sur les modes de gestion des crises. Elle propose ainsi des RETours d'EXpérience sur la gestion de crises éruptives survenues en mai 2006 au Karthala (Grande Comore), et en avril 2007 au Piton de la Fournaise (La Réunion). S'y ajoute un RETEX sur la gestion des lahars consécutifs aux éruptions explosives de 2005 en Grande Comore. Ces cas d'étude reposent sur le vécu direct des crises analysées, puis sur un travail d'enquête auprès des autorités, scientifiques, médias et populations. Ils mettent entre autres en évidence un manque caractérisé de moyens, d'information et de formation de l'ensemble des acteurs sur les deux îles. Les causes profondes des facteurs de dysfonctionnement sont ensuite recherchées. L'analyse révèle le poids des composantes humaines, culturelles, politiques, socioéconomiques et territoriales dans les réponses apportées face aux crises. Enfin, cette thèse propose des outils et des approches pour améliorer la gestion des crises sur les deux îles.

La télédétection ouvre des perspectives nouvelles pour l'étude et la surveillance des volcans. Dans le cadre de cette thèse, différentes approches ont été abordées. L'imagerie satellite optique et thermique permet d'avoir une vue synoptique sur une large surface. La compréhension des changements d'état de surface est particulièrement importante dans le suivi de l'activité des volcans actifs. Plusieurs questions se posent : * Quels avantages offrent les satellites optiques d'observation de la Terre pour les calculs des volumes de lave émis ? * Quelles sont leurs limites ? * Les calculs de débits réalisés par télédétection sont-ils fiables ? * Quel est l'intérêt d'une approche multi-outils et multi-source ? Ces questions ont été abordées en prenant le Piton de la Fournaise pour cible. Plusieurs méthodes ont été mises en oeuvre et testées : 1) L'extraction automatique des contours de coulées de lave, 2) la création de modèle numérique d'élévation (MNE) par imagerie satellite, 3) le calcul de débits à partir d'images thermiques, 4) le suivi post éruptif d'une coulée par la modélisation de son refroidissement et la mesure des déformations observées in-situ. La plus-value de ce travail est la capacité de valider les résultats des modèles issus de la télédétection par des mesures in situ du fait de la proximité des sites étudiés. L'utilisation de ces techniques a permis d'obtenir des débits moyens d'écoulement des laves pour plusieurs éruptions et de suivre l'évolution topographique du volcan et de ses grandes structures. Les mesures thermiques par satellite fournissent le moyen de contraindre les variations du débit des éruptions dans le temps, tandis que les MNE ont permis d'obtenir un volume total dans le cas de coulées présentant de fortes épaisseurs. Grâce à ces techniques, il a été possible de définir deux types d'éruptions avec des évolutions semblables à celles observées sur différents volcans comme l'Etna (Italie) ou le Krafla (Islande). Les problèmes de nébulosité étant récurrent sur notre zone d'étude, la complémentarité des techniques est particulièrement intéressante pour obtenir une information fiable. Toutes les techniques utilisées dans cette thèse sont applicables à d'autres volcans ou à d'autres thématiques.

Les études des déformations de surface en relation avec l'activité volcanique permettent de quantifier les phénomènes de transfert de magma qui s'opèrent dans les structures superficielles et profondes d'un édifice volcanique. Ces études s'appuient essentiellement sur l'utilisation de séries temporelles acquises par des réseaux de récepteurs GNSS installés sur les flancs de l'édifice volcanique et sur l'utilisation d'images acquises par des satellites équipés de capteurs à ouverture de synthèse. Les objectifs de ce travail ont été de mettre en œuvre sur deux des volcans les plus actifs du monde des méthodes numériques pour détecter, analyser et interpréter les déformations du sol associées à l'activité. Sur le Piton de la Fournaise, nous avons analysé l'évolution spatiale et temporelle du champ de déplacement entre l'éruption historique d'avril 2007 et octobre 2014 à partir de l'analyse de mesures continues acquises par les stations GNSS et de longues séries temporelles d'images radar Cosmos-Skymed et TerraSAR acquises en bande X. Pour le traitement des données radars, nous avons adopté une approche classique qui exploite la redondance d'information dans les interférogrammes et nous avons mis en œuvre une méthode originale de correction des effets troposphériques reposant sur la décomposition des signaux radars en valeurs singulières. La complexité spatiale et temporelle du champ de déplacement obtenu indique qu'une partie importante de l'édifice volcanique est affectée par des déformations d'origines diverses qui se superposent spatialement et temporellement. Ainsi, on observe des processus de subsidence qui ne s'accompagnent pas de déplacements horizontaux sur les coulées de lave récentes. Nous montrons qu'il existe une relation linéaire entre cette subsidence et l'épaisseur de la coulée et que son amplitude décroit avec le temps. Ces relations nous permettent de construire une loi empirique pour estimer la contribution de ce processus dans le champ de déformation. Nous observons également que le cône central subside de manière persistante durant la période étudiée. Nous interprétons cette subsidence comme l'expression d'une relaxation des contraintes provoquée par l'effondrement de plus de 350 m du Dolomieu survenu lors de l'éruption d'avril 2007. Enfin, nous montrons qu'une large partie du flanc est de l'édifice volcanique est affectée d'un mouvement lent le long de la pente entre 2007 et 2014. L'absence d'évidences sur la structure et sur la rhéologie de l'édifice nous amène à explorer différentes hypothèses pour expliquer l'origine de ce glissement qui pourrait être contrôlé par les propriétés frictionnelles des roches le long d'un ou de plusieurs plans de faille, ou bien être l'expression d'une déformation ductile dépendante de la viscosité du milieu. Le Llaima est un large strato-volcans andin dont les processus de déformations sont mal compris à cause principalement de la complexité de son mode de fonctionnement mais, également, aussi par l'absence de réseaux d'observation au sol. Dans ce contexte, les potentialités des données radar pour le suivi des déformations de surface de ces volcans constituent un intérêt scientifique majeur. / We address in this dissertation the use of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) to measure and characterize the ground surface deformation at two volcanoes - Piton de la Fournaise (La Réunion Island, France) and Llaima (Chile). For Piton de la Fournaise, we analyzed the spatial pattern and temporal evolution of the ground displacement between the historical March-April 2007 eruption and October 2014, based on continuous measurements recorded by GNSS stations and X band COSMO-SkyMed and TerraSAR-X/TanDEM-X time series analysis. For the processing of radar data, we adopted a classical InSAR time series approach that exploits the information redundancy in the interferograms and we implemented an original method for correcting artifacts based on the principal component decomposition. The spatial and temporal complexity of the obtained deformation field indicates that an important part of the volcanic edifice is affected by deformations of various origins that overlap spatially and temporally. We observe also subsidence processes that are not accompanied by horizontal displacements in recent lava fields. We show that there exists a linear relationship between the subsidence and the thickness of lava and that the amplitude of subsidence decreases with time. These relationships allow us to construct an empirical law to estimate the contribution of post-lava emplacement process in the deformation field. We also observe that the Central Cone subsides persistently during the study period. We interpret this subsidence as the expression of a relaxation of the stresses caused by the Dolomieu collapse during the March-April 2007 eruption. Finally, we show that a widespread time-dependent moving sector on the Eastern Flank is affected by downslope motion during the 2007-2014 period. The uncertainties on both the structure and rheology parameters of the edifice leads us to explore different hypotheses to explain the origin of this flank motion which could be controlled by the frictional properties of the rocks along one or more fault planes, or be the expression of a dependent ductile deformation of the viscosity of the medium. Llaima is a large Andean stratospheric volcano whose deformation processes are poorly understood not only because of the complexity of its functioning mode but also because of the absence of observation networks on the ground. In this context, the potential of radar data for monitoring the ground deformations of these volcanoes is a main scientific interest. However, the complex environment conditions (steep slopes, snow- or ice-capped summit, dense vegetation cover, and strong tropospheric artifacts) and limited amount of available radar data make it challenging to accurately measure ground displacement with InSAR.