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.

En Corse alpine, les minéralisations sulfurées associées aux ophiolites apparaissent à différents niveaux de la séquence ophiolitique depuis les péridotites (transformées le plus souvent en serpentinites) jusqu'aux basaltes en passant par les gabbros. Les textures et les paragenèses métalliques montrent que le dépôt de la minéralisation se fait en deux stades. Le premier stade est quantitativement prédominant. Il est caractérisé par une paragenèse primaire de haute température (300 à 400 °C. Cette paragenèse est dominée par les sulfures de fer. Il s'agit soit de la pyrite dans les basaltes et les gabbros ; soit de la pyrrhotite hexagonale dans les serpentinites. Le stade tardif est caractérisé par une paragenèse de basse température, dominée par les sulfures de cuivre (principalement chalcopyrite et cubanite) traduisant l'enrichissement en cuivre des fluides tardifs.<br /> La mise en place des minéralisations sulfurées est liée à un système hydrothermal convectif établi dans la croûte océanique. Les interactions eau de mer - roches ont abouti à des transformations des roches à différents degrés de métamorphisme. L'étude minéralogique et paragénétique de ces transformations montre que le système hydrothermal a évolué en deux stades et avec une baisse de température. En se rapprochant des filons minéralisés, le quartz devient plus abondant et les minéraux secondaires s'enrichissent en fer. La pénétration des fluides jusqu'au dans le manteau supérieur est facilitée par les fissures des roches liées à la déformation intraocéanique.<br /> Le système hydrothermal responsable du dépôt des minéralisations sulfurées est lié au magmatisme tardif de la série de Rospigliani. Cette série montre des caractères magmatiques, tectoniques et sédimentaires particuliers permettant de placer sa genèse au niveau d'une zone transformante. Ce magmatisme est précédé par celui de la série de l'Inzecca qui présente des affinités avec les tholéiites reconnues actuellement à l'aplomb des dorsales océaniques de type normal. <br /> Le modèle génétique des minéralisations sulfurées associées aux ophiolites de Corse est comparable à ceux développés dans les rides océaniques actuelles et dans les ophiolites de Chypre et d'Oman.

Les Champs Phlégréens, situés dans la métropole napolitaine (Italie du sud), forment l’une des plus grandes structures volcaniques au monde. Depuis 1950, ce complexe volcanique manifeste un regain d’activité, qui s’est amplifié au cours de la dernière décennie. Cette accélération s’exprime au travers d’une intensification de la sismicité, de la déformation du sol ainsi qu’une extension de la zone de dégazage. L’ensemble des récentes études s’accorde à dire que le système s’achemine actuellement vers un point critique, sans toutefois pouvoir préciser quand et où pourrait avoir lieu une éventuelle éruption. Cette difficulté à prédire l’état réel du système est principalement associée à la présence d’un système hydrothermal relativement développé. Aux Champs Phlégréens, il est en effet difficile de déconvoluer les signaux provenant du forçage magmatique de ceux résultant de la réponse hydrothermale. L’objectif de cette thèse est donc d’améliorer les connaissances actuelles du système hydrothermal superficiel du volcan de la Solfatara, lieu où se concentre actuellement la reprise d’activité. Pour cela, une approche multidisciplinaire a été menée en deux phases : l’imagerie géophysique du volcan puis la modélisation de son système hydrothermal.La tomographie haute-résolution de résistivité électrique 3-D du cratère a permis de reconnaître les principales formations géologiques et leurs connexions avec les structures et écoulements hydrothermaux. L’interprétation du modèle de résistivité électrique a été réalisée grâce à un ensemble de mesures superficielles complémentaires : flux de CO2, température, potentiel spontané, capacité d’échange cationique et pH du sol. Deux panaches à dominante liquide ont été identifiés : la mare de boue de la Fangaia et la fumerole de Pisciarelli. À la Fangaia, une étude conjointe des modèles de résistivité électrique et de vitesses du sous-sol (obtenues par l’INGV) établit la présence de forts gradients, à la frontière entre panache hydrothermal et zone de dégazage diffus. Au niveau du principal secteur fumerolien, le modèle de résistivité électrique et la localisation des sources acoustiques révèlent clairement l’anatomie d’une zone fumerolienne. Deux conduits séparés, saturés en gaz, alimentent les fumeroles de Bocca Grande et de Bocca Nuova, depuis un même réservoir de gaz situé à ~50 mètres de profondeur. L’intense dégazage diffus produit à proximité de ces fumeroles occasionne la condensation de vapeur. Le modèle de résistivité électrique met en évidence la circulation souterraine de cet important volume d’eau, canalisée à l’intérieur d’une zone fracturée.En utilisant l’ensemble de ces informations structurelles, un modèle thermodynamique des écoulements multiphasiques de la principale zone fumerolienne a été réalisé. Ce modèle reproduit fidèlement les observables des fumeroles : température, flux et rapport CO2/H2O. Il valide l’imagerie géophysique et confirme l’interaction entre la circulation d’eau de condensation et l’un des conduits fumeroliens. Ainsi, cette simulation explique, pour la première fois par un effet d’interaction superficiel, les différentes signatures géochimiques des deux fumeroles : Bocca Nuova et Bocca Grande. L’approche multidisciplinaire, employée dans cette thèse, constitue une nouvelle étape vers une meilleure connaissance des interactions hydrothermales. Celles-ci doivent être prise en compte dans l’objectif de réaliser des modélisations dynamiques précises permettant d’appréhender in fine l’état réel du système volcanique. / The Campi Flegrei caldera is located in the metropolitan area of Naples (Italy), and it is one of the largest volcanic systems on Earth. Since 1950, this volcanic complex shows significant unrest, which accelerated over the last decade with a rise in the seismic activity, ground deformation, and the extent of the degassing area. Recent studies indicate that the volcanic system is potentially moving toward a critical state, although their authors remain unable to point out when and where a possible eruption could take place. The difficulty of predicting the real volcanic state is here mainly related to the hydrothermal system. Indeed, at the Campi Flegrei, it is difficult to separate the magmatic input signal from the hydrothermal response. Hence, the aim of this thesis is to improve our knowledge on the shallow hydrothermal system of the Solfatara volcano, where most of the renewal activity takes place. A multidisciplinary approach has been performed in two steps: first a geophysical imagery of the volcano and second the modeling of its hydrothermal system.The 3-D electrical resistivity tomography of the crater allows to recognize the main geological units, and their connection with hydrothermal fluid flow features. The interpretation of the resistivity model has been realized thanks to numerous soil complementary measurements: CO2 flux, temperature, self-potential, Cation Exchange Capacity and pH. We identify two liquid-dominated plumes: the Fangaia mud pool and the Pisciarelli fumarole. In the Fangaia area, the comparison between electrical resistivity and velocity models reveals strong gradients related to a sharp transition at the border between the hydrothermal plume and the high diffuse degassing region. Combining electrical resistivity model with hydrothermal tremor sources localization reveal the anatomy of the main fumarolic area. Two separated conduits, gas-saturated, feed the two fumaroles Bocca Grande and Bocca Nuova. These conduits originate from the same gas reservoir located 60 m below the surface. The intense degassing activity, produced in the vicinity of fumaroles, creates large amounts of vapor condensation. The resistivity model reveals this condensate circulation, within a fractured area.All these results are incorporated into a multiphase flow model of the main fumarolic area. The simulation accurately reproduces the fumaroles observables: temperature, flux and CO2/H2O ratio. The model validates the geophysical imagery and confirms the interaction between Bocca Nuova fumarolic conduit and the condensate flow. Hence, this simulation explains for the first time the distinct geochemical signature of the two fumaroles due to a shallow water-interaction. The multidisciplinary approach performed in this thesis constitutes a new step toward a better understanding of hydrothermal interactions. Those phenomena have to be taken into account in order to perform dynamic modelling, and thus apprehend the real state of the volcanic system.

Le volcan actif Mont Nemrut, situé à l'ouest du lac Van, est l'un des volcans les plus importants d'Anatolie orientale. Il possède une caldeira sommitale de 8.5 x 7 km de diamètres. L'activité volcanique du Nemrut a commencé il y a ~ 1Ma et s'est poursuivie jusque dans les périodes historiques. Les éruptions les plus récentes ont été signalées en 1441, 1597 et 1692 A.D. Parmi les volcans anatoliens orientaux, le Nemrut est le volcan le plus dangereux, compte tenu de sa proximité avec des sites urbanisés environnants ; il menace directement 135 000 habitants. Les manifestations actuelles de l'activité volcanique sont représentées par une activité hydrothermale et fumerollienne au sein de la caldeira. L'évolution structurale du volcan se subdivise en deux stades principaux ( pré-caldeira et post-caldeira) séparés par l'effondrement catastrophique de la caldeira. Les produits de l'activité anté-caldeira sont majoritairement représentés par des écoulements et des dômes de lave felsiques. Les séries ignimbritiques du Nemrut et de Kantasi, manifestations majeures de l'activité de la caldeira, sont constituées d'unités pliniennes et d'écoulements ignimbritiques. L'activité post-caldeira est représentée par une activité phréatomagmatique explosive et une activité effusive basaltique-rhyolitique bimodale, concentrées au sein de la caldeira et au niveau de la zone de rift récent du Nemrut, sur le flanc nord. L'analyse des données multisources (études de polarisation spontanée, modèles numériques de terrain et bathymétrie ainsi que de leurs produits dérivés, images Landsat et ASTER) a permis de caractériser la structure de la caldeira du Nemrut et les circulations hydrothermales associées. La synthèse de ces approches pluri-thématiques et des interprétations correspondantes permet de proposer que la caldeira est constituée de 3 blocs principaux, conséquence des processus de fragmentation générés lors des phases d'effondrement. Les frontières délimitant ces blocs et la frontière structurale principale de la caldeira contrôlent les principales activités hydrothermales intra-caldeira. Le régime tectonique régional de compression-extension existant au Pliocène est structuralement enraciné et est responsable du déclenchement du volcanisme du Mont Nemrut. Le jeu de systèmes décrochants surimposés aux structures pré-existantes a provoqué l'apparition d'une zone de faiblesse localisée au sein de laquelle le système volcanique du Nemrut s'est préférentiellement mis en place. La surveillance de l'activité du volcan a été initiée par l'installation d'un ensemble de 3 sismomètres, ce qui constitue le 1er réseau de surveillance sismo-volcanique sur un volcan en Turquie. Les données temps réel sont acquises, traitées et archivées depuis octobre 2003. L'interprétation des signaux volcaniques acquis dans le cadre de cette surveillance sismologique, couplée aux résultats de l'étude du système hydrothermal, confortent clairement l'existence d'une chambre magmatique active localisée aux environs de 4-5 km de profondeur. La surveillance à long terme de ce volcan potentiellement actif est essentielle pour la prévention des risques associés et fournira de plus une base de données essentielle pour une meilleure connaissance et compréhension du mode de fonctionnement de ce volcan.

Afin d'étudier les variations temporelles du signal acoustique dans un lac de cratère nous avons réalisé une station de mesure permanente et l'avons installée en novembre 1994 dans le lac de cratère du volcan Taal (philippines). Cette station acquiert tous les quarts d'heure des échantillons temporels du signal acoustique (à 40 mètres de profondeur) dans trois bandes de fréquences différentes: BF(<500hz), MF (<12,5 kHz) et HF(<500kHz). Le traitement des données permet la représentation d'un sonogramme. Une variation importante du signal acoustique a été induite par le séisme de Mindoro (magnitude 7. 1 ) du 15 Novembre 1994 situé à 46 km du Taal. La puissance thermique apportée au lac chute brutalement de 50%, le débit gazeux est ralenti de 1/10° . Les flux liquide et gazeux ne reviennent à leur état initial que 5 jours après. On assiste à un phénomène transitoire qui touche tous les paramètres mesurés : déformations, acoustique, thermique. A partir des données de la température du lac de cratère du Taal et des valeurs météorologiques, un calcul de l'apport énergétique de l'édifice volcanique au lac de cratère de 1990 à 1995 permet de mettre en évidence la reprise d'activité du volcan Taal depuis 1990, la puissance thermique mesurée passant de 50MW à 250MW. Le flux gazeux mesuré ne suffisant pas pour apporter une telle puissance, que ce soit au TaaI ou au Ruapehu, nous concluons que la chaleur est apportée majoritairement par des échanges liquides. Nous montrons par ailleurs que les variations de l'inclinaison du volcan sont fortement corrélées avec les variations de la puissance thermique. La mesure du signal acoustique en milieu volcanique est donc une méthode prometteuse qui mérite d'être mise en oeuvre dans d'autres édifices volcaniques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure et du fonctionnement des systèmes hydrothermaux volcaniques. Nous nous sommes attachés à l'étude géophysique multi-méthodes de deux systèmes hydrothermaux : Waimangu, en Nouvelle-Zélande, et la Solfatara, en Italie. Le premier en raison de sa dynamique, et parce qu'il apparait comme une zone laboratoire purement hydrothermale, sans influence magmatique; le second pour l'observation et la caractérisation géophysique d'un panache hydrothermal accessible à la surface. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la reconnaissance de la structure de Waimangu à grande échelle, et à la caractérisation des principales composantes du système (lacs de cratères, zones fumeroliennes et geysers). Cette étude a permis d'associer les méthodes de potentiel spontané et de résistivité électrique avec des mesures ponctuelles de température et de flux de CO2. Nous avons ensuite ciblé notre étude sur des laboratoires à petite-échelle présents sur Waimangu : Iodine vent, Inferno Crater Lake et le site du Old Geyser. Ces systèmes différent les uns des autres par leur taille, mais aussi par leurs caractéristiques physico-chimiques, qui jouent un rôle determinant dans la sensibilité des méthodes géo-électriques. Sur le site de Iodine Pool, l'application de techniques récentes d'imagerie acoustique sous-marine a permis la localisation précise des sources de bruit hydrothermal. Le suivi par polarisation spontanée d'un évent intermittent a montré une cyclicité dans les signaux, qui peut être expliquée par une variation de hauteur piézométrique. L'application conjointe de l'imagerie acoustique et de l'imagerie électrique sur le site du Old Geyser a mis en évidence la complémentarité des deux techniques dans la localisation d'une structure hydrothermale qui correspond à la fois à une source acoustique et électrique. Dans un troisième temps, nous avons étudié la signature géo-électrique des mouvements de fluides qui accompagnent l'activité cyclique du Lac Inferno. Le suivi temporel de résistivité électrique montre que les variations du lac et les mouvements de fluide observés sont caractérisés par des variations importantes de résistivité dans le sous-sol qui pourraient correspondre à des changements de phase du fluide en profondeur, en accord avec des modélisations analogiques. La campagne réalisée à la Solfatare a permis d'imager le panache hydrothermal par les méthodes électriques (tomographie de résistivité en trois dimensions), acoustiques et thermiques. Nous présentons les résultats obtenus avec la tomographie de résistivité électrique et les mesures de température, qui ont permis de déterminer avec précision les limites spatiales du panache hydrothermal.