L'Himalaya est un prisme orogénique cylindrique, répondant dans son ensemble aux caractéristiques du prisme de Coulomb. Ainsi, la localisation de la déformation s'effectue principalement au front du prisme et les chevauchements transportés ne sont affectés que par de faibles réactivations hors séquence. Cependant, la terminaison ouest de la chaîne himalayenne, appelée syntaxe nord-ouest himalayenne, apparaît comme une singularité. Cette région correspond à une zone d'interaction entre différentes directions de déformation, avec, d'est en ouest, la chaîne du Pir Panjal au sud du bassin du Cachemire orientée NW-SE, la syntaxe d'Hazara-Kashmir et la chaîne des Salt Range orientée E-W, et la chaîne des Sulaiman Range orientée NE-SW. La séquence normale de déformation dans la syntaxe nord-ouest himalayenne n'est pas respectée : une activité hors séquence importante, caractérisée par une déformation accommodée sur des structures internes au front de la chaîne, a été mesurée dans la chaîne des Salt Range par l'étude structurale de la région. De plus, la chaîne du Pir Panjal présente une activité tectonique hors séquence à l'échelle du cycle sismique : le séisme du Kashmir de magnitude Mw = 7.6 du 8 octobre 2005 s'est produit sur la faille de Balakot-Bagh (extrémité nord-ouest du Medlicott Wadia Thrust, MWT) située à plus de 100 km du front de la chaîne. Ces observations posent deux interrogations : (i) la déformation hors séquence observée dans la syntaxe nord-ouest himalayenne à l'échelle du cycle sismique et à l'échelle long terme existe-t-elle à l'échelle intermédiaire ? (ii) la configuration géométrique de la syntaxe nord-ouest himalayenne favorise-t-elle la déformation hors séquence observée ? Pour répondre à ces questions nous avons entrepris une étude de terrain morphotectonique afin de caractériser la déformation dans la chaîne du Pir Panjal. Pour cela, nous avons cartographié le long de la rivière Chenab 7 niveaux de terrasses d'abrasion au toit du MWT, et trois événements d'aggradation régionaux que nous avons datés grâce à trois méthodes (53 échantillons 10Be, 6 OSL et 4 14C). Ces remplissages se terminent aux environs de 35 ka, 15 ka et 3.5 ka à la fin d'épisodes de moussons intenses. La topographie de ces terrasses a été mesurée grâce au GPS cinématique et une station totale, et leur déformation montre qu'il existe actuellement deux structures actives dans cette région : la structure frontale qui conduit au développement d'un anticlinal, et un grand chevauchement situé 20 km en position interne : le Riasi Thrust (portion du MWT). La majorité du raccourcissement, qui atteint 16 mm/an dans la région, est accommodée par le Riasi Thrust avec un déplacement sur la faille compris entre 10 et 14 mm/an. Le reste étant principalement accommodé sur la structure frontale. L'étude du chevauchement situé encore en position interne, le Main Boundary Thrust, a montré que cette structure n'est plus active depuis 15 ka. En parallèle, nous avons réalisé une série de 24 expériences analogiques en utilisant une boîte à sable dont la géométrie des bordures reproduit la partie externe de la syntaxe nord-ouest himalayenne et en faisant varier la rhéologie basale et les épaisseurs de matériaux. Ces expériences ont montré un important raccourcissement perpendiculaire à la direction de convergence, et une influence de cette géométrie des conditions aux limites sur la séquence de déformation : le pourcentage de déformation hors séquence est plus important dans ce cas que dans celui d'un prisme cylindrique. Notre étude montre donc que la déformation hors séquence dans la syntaxe nord-ouest himalayenne existe aussi sur une échelle de temps intermédiaire entre le cycle sismique et le long terme. Nous l'expliquons en partie comme une caractéristique de la déformation d'une forme en syntaxe. D'autres mécanismes tels que l'érosion due à de fortes précipitations locales et un héritage structural pourraient également être envisagés.

Dans un champ captant, comme celui qui alimente l'agglomération lyonnaise, le fonctionnement de chaque " objet " (bassins d'infiltration, puits, rivières, nappe, zone non saturée) et leurs interactions sont complexes et mal connus. Dans un premier temps, une série d'essais d'infiltration à différentes échelles dans un bassin artificiel de réalimentation a permis de mieux appréhender le fonctionnement de cet ouvrage et de chiffrer les paramètres hydrodynamiques de la zone non saturée. Les résultats des interprétations par méthodes numériques fondées sur l'équation de Richards ont montré que les flux infiltrés dans les bassins dépendent principalement de la conductivité hydraulique à saturation d'une couche située directement sous le sable calibré couvrant le fond du bassin, identifiée comme étant moins perméable que la nappe. Cette couche conditionne l'existence d'une zone non saturée. La réalisation d'essais de pompage dans l'aquifère sur les forages d'exploitation et sur un dispositif spécialement mis en place durant ce travail a permis de déterminer les paramètres hydrodynamiques de la nappe. Une analyse des observations et une modélisation conceptuelle en 2D, puis en 3D ont permis d'identifier les mécanismes prépondérants (stratifications, apports et prélèvements) et de simuler correctement à la fois les flux infiltrés dans un des bassins d'infiltration et la remontée de la nappe. A l'échelle d'un bassin, les flux infiltrés sont variables dans le temps, ils dépendent de l'état de colmatage de la surface d'infiltration mais également de la température de l'eau infiltrée et de l'état hydrique initial du sol sous le bassin. Les analyses de sensibilité réalisées avec les modèles mis en place indiquent que la conductivité hydraulique à saturation de l'aquifère, mais également la proximité des conditions aux limites imposées dans la nappe (les rivières et les puits de pompage) influencent de manière prépondérante la remontée de la nappe. Une modélisation 3D d'un autre secteur du champ captant comprenant deux bassins d'infiltration, deux bras de rivière ainsi que des puits de pompage a été réalisée. La condition à la limite imposée sur les rivières est du troisième type en accord avec l'observation d'un sous-écoulement en nappe. Les échanges nappe/rivières sont calés sur des observations à partir d'une chronique de propagation d'une onde de crue dans la nappe. Des piézomètres en flûte de pan, spécifiquement implantés à proximité d'un bassin, ont permis d'observer des différences de charge hydraulique fortes à différents niveaux de l'aquifère lorsque le bassin d'infiltration est en eau. La modélisation 3D est conforme à ces observations. Elle a confirmé l'importance du rôle d'une hétérogénéité de type argilo-sableuse (de conductivité hydraulique à saturation inférieure aux autres lithologies présentes dans l'aquifère) dans les écoulements (direction et flux). Le modèle développé représente correctement les flux infiltrés via les bassins ainsi que les fluctuations de la piézométrie de la nappe. Il permet de vérifier l'inversion des écoulements par rapport aux infiltrations de la rivière, d'identifier les puits alimentés par les bassins d'infiltration et également de mettre en évidence les flux de nappe passant sous la rivière.

Ces dernières années, de nombreux efforts ont été entrepris pour mieux comprendre les phénomènes précipitants parfois à l'origine de crues de cours d'eau et d'inondations ravageuses. Courant 2009, un consortium auvergnat a été mis en place pour notamment surveiller et prévoir ces événements. Les travaux menés dans cette thèse visent d'une part à améliorer les estimations quantitatives des précipitations (QPE) et d'autre part à vérifier les prévisions issues de modèles numériques sur de petites zones d'étude telles qu'une agglomération. L'observation des précipitations peut être réalisée à l'aide soit d'un pluviomètre qui fournit une mesure directe et précise de la quantité de pluie tombée au sol mais ne renseigne pas sur la variabilité spatiale des pluies soit d'un RADAR météorologique qui donne une représentation détaillée de la structure spatiale des précipitations mais dont les estimations sont sujettes à diverses erreurs d'autant plus prononcées en régions montagneuses. Le premier défit de cette thèse a été de trouver la meilleure façon de combiner ces deux informations complémentaires. Deux techniques géostatistiques ont été sélectionnées pour obtenir la meilleur QPE : le krigeage avec dérive externe (KED) et la fusion conditionnée (MERG). Les performances de ces deux méthodes ont été comparées au travers de deux domaines d'étude qui présentent des résolutions spatio-temporelles différentes. La seconde partie de cette thèse est consacrée à la mise en place d'une méthodologie fiable permettant de comparer spatialement les champs de QPE alors reconstruits et les prévisions quantitatives des précipitations (QPF). L'effort fut porté sur le modèle " Weather Research et Forcasting " (WRF). Une étude préliminaire a été réalisée pour tester les capacités du modèle et plus particulièrement des schémas de microphysique à reproduire la pluie. Cette étude assure ainsi l'obtention de prévisions réalistes pour une application sur des cas réels. L'appréciation de la qualité des QPF s'est focalisée sur la quantification spatiale des erreurs de prévision en termes de structure, d'intensité et de localisation des systèmes précipitants (SAL : Wernli et al. 2008, 2009).

La prochaine génération d'expériences dédiées à la mesure des anisotropies de température et de polarisation du fond diffus cosmologique (CMB), inaugurée avec le lancement de Planck, va permettre la détection et l'étude d'effets de plus en plus fins. Toutefois, la superposition d'émissions astrophysiques d'avant-plan contamine le signal cosmologique et constituera, dans ces futures données, la principale source d'incertitude devant le bruit instrumental. L'amélioration de la modélisation des émissions d'avant-plan et le développement de méthodes statistiques pour permettre leur séparation sont donc des étapes cruciales de l'analyse scientifique des mesures à venir. Ce travail s'inscrit dans cette problématique et comprend le développement du Planck Sky Model, un outil de modélisation et de simulation de l'émission du ciel. Ces simulations sont par ailleurs mises à profit pour le développement et l'évaluation de méthode statistiques adaptées au problème des avant-plans. Nous explorons ainsi les possibilités offertes par l'analyse en ondelettes sur la sphère (needlets) pour le problème de l'estimation spectrale sur des mesures incomplètes avec une contamination inhomogène, et proposons une méthode pour traiter la contamination induites aux petites échelles par les sources ponctuelles dans les données Planck et WMAP. Nous étudions également l'impact des avant-plans sur la possibilité de détection des ondes gravitationnelles primordiales (prédites par l'inflation) et proposons une prospective des performances des futures missions dédiées à leur mesure.

Les géomètres de la section Survey de l'Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) utilisent le nivellement hydrostatique HLS pour effectuer des alignements verticaux précis. Le HLS atteint des précisions micrométriques, ce qui lui permet d'être utilisé pour les expériences à but de physique fondamentale comme le Large Hadron Collider (LHC). HLS mesure certes des déformations qui ont pour conséquence de désaligner tout accélérateur de particules lié au sol, mais il mesure également d'autres phénomènes aux caractéristiques bien particulières. Parmi ces phénomènes mesurés, les marées terrestres représentent une part très largement majoritaire du signal. Leur effet sur les mesures HLS est périodique et engendre une inclinaison longue base qui n'aboutit pas au désalignement relatif des aimants constitutifs d'un accélérateur. Les objectifs de ce doctorat sont de pouvoir prédire les effets ne perturbant pas l'alignement relatif d'un accélérateur de particules et ainsi corriger les mesures HLS de ces signaux. En effet, les tolérances planimétrique et altimétrique à respecter dans le domaine des accélérateurs de particules sont de plus en plus serrées. Par exemple, le Compact Linear Collider (CLIC), aujourd'hui à l'étude de faisabilité, nécessite une précision d'alignement à 3σ de 10 μm dans une fenêtre glissante de 200 m selon les directions transversale et verticale. Le HLS est candidat pour assurer cet alignement vertical mais l'amplitude de marée est d'environ +/-20 μm à 200 m, rendant nécessaire la prise en compte de ce phénomène longue base pour que l'instrumentation réponde aux besoins du CLIC. Ce doctorat est inspiré des travaux déjà réalisés sur les inclinomètres longue base et décrit les effets mesurés par HLS afin de classer ces phénomènes selon qu'ils désalignent ou non un accélérateur de particules. Enfin, les outils et modèles pour prédire les effets maitrisables sont utilisés pour anticiper les différents signaux mesurés par les HLS installés au CERN.

Les événements de pluies extrêmes et les inondations qui en résultent constituent une préoccupation majeure en France comme dans le monde. Dans le domaine de l'ingénierie, les méthodes d'analyse probabiliste sont pratiquement utilisées pour prédire les risques, dimensionner des ouvrages hydrauliques et préparer l'atténuation. Ces méthodes sont classiquement basées sur l'hypothèse que les observations sont identiquement distribuées. Il y a aujourd'hui de plus en plus d'éléments montrant que des variabilités climatiques à grande échelle (par exemple les oscillations El Niño - La Niña, cf. indice ENSO) ont une influence significative sur les précipitations dans le monde. Par ailleurs, les effets attendus du changement climatique sur le cycle de l'eau remettent en question l'hypothèse de variables aléatoires "identiquement distribuées" dans le temps. Il est ainsi important de comprendre et de prédire l'impact de la variabilité et du changement climatique sur l'intensité et la fréquence des événements hydrologiques, surtout les extrêmes. Cette thèse propose une étape importante vers cet objectif, en développant un cadre spatio-temporel d'analyse probabiliste régionale qui prend en compte les effets de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Les données sont supposées suivre une distribution, dont les paramètres sont liés à des variables temporelles et/ou spatiales à l'aide de modèles de régression. Les paramètres sont estimés avec une méthode de Monte-Carlo par Chaînes de Markov dans un cadre Bayésien. La dépendance spatiale des données est modélisée par des copules. Les outils de comparaison de modèles sont aussi intégrés. L'élaboration de ce cadre général de modélisation est complétée par des simulations Monte-Carlo pour évaluer sa fiabilité. Deux études de cas sont effectuées pour confirmer la généralité, la flexibilité et l'utilité du cadre de modélisation pour comprendre et prédire l'impact de la variabilité climatique sur les événements hydrologiques. Ces cas d'études sont réalisés à deux échelles spatiales distinctes: * Echelle régionale: les pluies d'été dans le sud-est du Queensland (Australie). Ce cas d'étude analyse l'impact de l'oscillation ENSO sur la pluie totale et la pluie maximale d'été. En utilisant un modèle régional, l'impact asymétrique de l'ENSO est souligné: une phase La Niña induit une augmentation significative sur la pluie totale et maximale, alors qu'une phase El Niño n'a pas d'influence significative. * Echelle mondiale: une nouvelle base de données mondiale des précipitations extrêmes composée de 11588 stations pluviométriques est utilisée pour analyser l'impact des oscillations ENSO sur les précipitations extrêmes mondiales. Cette analyse permet d'apprécier les secteurs où ENSO a un impact sur les précipitations à l'échelle mondiale et de quantifier son impact sur les estimations de quantiles extrêmes. Par ailleurs, l'asymétrie de l'impact ENSO et son caractère saisonnier sont également évalués.

Depuis au moins 540 Ma deux grands systèmes de subduction coexistent sur Terre : d'une part, les systèmes de subduction-collision (chaînes Hercynienne, Himalayenne ou Alpine) et d'autre part, les systèmes de subduction de type péri-pacifique. Pour ces derniers, l'avant-arc constitue une zone clef pour retracer l'évolution de la subduction au cours du temps. En effet ces zones au contact avec le slab peuvent enregistrer des événements tectoniques et/ou des conditions métamorphiques variées (e.g. formation de " paired metamorphic belts "), qui sont autant d'indicateurs du contexte géodynamique. Le massif métamorphique de El Oro en Equateur est un exemple exeptionnel où une section complète et basculée de l'avant-arc Triasique est préservée. L'ensemble est constitué d'une série métasédimentaire de bas à haut grade métamorphique intrudée par des granitoïdes de type S, juxtaposé avec un laccolithe gabbroïque et des schistes bleus. Ce travail de thèse s'est concentré sur l'étude du métamorphisme de haute-température basse-pression et ses relations les schistes bleu. Afin de contraindre l'événement tectono-métamorphique affectant l'avant-arc Equatorien au Trias et la formation d'une "paired metamorphic belt", nous avons utilisé des outils structuraux, métamorphiques, géochimiques, géochronologiques et de modélisation thermique. Nos résultats montrent que durant cette période l'avant-arc Equatorien connait un intense épisode de fusion partielle en régime extensif. La base de la croûte est migmatisée sur une épaisseur de 10km. Les estimations Pression-Température indiquent que les conditions de fusion partielle varient de 4.5 kbar et 650°C pour la partie supérieure métaxitique et jusqu'à 7.5 kbar et 720°C pour la partie inférieure diatexitique. La gradient géothermique inféré est divisé en deux segments : un segment supérieur caractérisé par un gradient de 40°C/km et un segment inférieur caractérisé par un gradient quasi-isothermique. L'absence de paragénèse de ultra-haute température est attribuée à la grande fertilité du protolithe métasédimentaire. Les résultats géochimiques montrent que les plutons granodioritiques sont issus d'un mélange entre : (1) les liquides de fusion partielle produit par la réaction de deshydration de la muscovite des métasédiments et (2) un magma basique. Les âges U-Pb sur zircons et monazites révèlent que l'événement anatectique fût bref entre 229 et 225 Ma. La source de chaleur à l'origine de l'événement thermique est attribuée à la mise en place d'un pluton gabbroïque à ~ 230 Ma en base de croûte. Successivement, se sous-plaque les schistes-bleu refroidissant rapidement l'avant-arc. L'événement anatectique observé dans le massif de El Oro au Trias s'insrit à plus grande échelle au sein d'une large anomalie thermique affectant l'ensemble du continent sud Américain entre 260 et 220 Ma. Durant cette période la marge est un soumise à un régime extensif accompagné d'un important magmatisme d'origine crustal, principalement en position d'arc et d'avant-arc. Nous attribuons cette anomalie thermique d'ampleur continental à une "avalanche mantellique". A la lumière du contexte géodynamique globale nous inteprétons la formation de la paired metamorphic belt de El Oro à la rupture du slab.

Les laves émises en domaine de subduction sont dominées par des compositions calcoalcalines à hypersthène normatif. En revanche, les inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes (Fo ≥ 88) des basaltes d'arc présentent des compositions alcalines, à néphéline normative. Bien que leurs compositions en éléments traces incompatibles ne diffèrent pas de celles de leurs laves hôtes, ces magmas ne peuvent pas s'expliquer par les modèles classiques de formation des laves d'arc. L'étude d'inclusions magmatiques alcalines de plusieurs arcs du monde a permis de mettre en évidence leur variabilité de composition, en particulier en CaO et Sc, deux éléments compatibles dans le clinopyroxène. Le couplage de cette étude avec des modélisations thermodynamiques a aboutit à l'élaboration d'un modèle de source impliquant la contribution de clinopyroxénites à amphibole à environ 1 GPa. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d'arc seraient ainsi les témoins de l'hétérogénéité de source à l'origine des magmas d'arc. Les expériences de fusion partielle du mélange homogène clinopyroxénite à amphibole - péridotite hydratée réalisées à 1 GPa permettent d'apporter des informations supplémentaires quant aux mécanismes de genèse des magmas d'arc sous-saturés en silice et de mieux comprendre les comportements de fusion des deux types de lithologies. Pour des proportions inférieures à ~ 50 % de pyroxénite dans la source, les magmas produits présentent des compositions à hypersthène normatif, comparables aux laves d'arc issues de la fusion de lithologies péridotitiques. Pour des proportions de pyroxénites supérieures, les magmas sont à néphéline normative et s'enrichissent en calcium, reproduisant ainsi la gamme de compositions observée pour les inclusions magmatiques. 50 % de mélange correspond à la limite de stabilité de l'orthopyroxène. Tant que cette phase est présente dans le résidu, les magmas engendrés restent à hypersthène normatif. De plus, la présence d'amphibole dans la source permet d'augmenter la sous-saturation des liquides résultants et d'expliquer ainsi les termes les plus riches en néphéline normative de certaines inclusions. Nos expériences de fusion d'une source homogène ont également permis de déterminer la composition des magmas formés par un processus de fusion plus réaliste, impliquant une source hétérogène pyroxénite-péridotite. La productivité de liquides des pyroxénites étant supérieure à celles des péridotites, les magmas générés à partir d'une source hétérogène seront donc principalement pyroxénitiques, c'est-à-dire davantage sous-saturés en silice. Ainsi, dans le cas d'un mélange de magmas issus d'une source hétérogène, la transition entre les compositions à hypersthène et à néphéline normatifs s'effectue aux alentours de 30-40 % de liquides pyroxénititiques, soit pour environ 20-25 % de pyroxénite dans la source. L'origine de ces lithologies dans le manteau sub-arc est attribuée à la délamination de cumulats à clinopyroxène + amphibole présents à la base de la croute des arcs. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d'arc auraient enregistré plusieurs étapes de mélange entre des liquides quasi-purs de clinopyroxénites et des liquides péridotitiques. L'homogénéité de compositions des laves à hypersthène normatif traduirait en revanche, un stade de mélange et de différenciation plus avancé, atténuant ainsi la signature pyroxénitique.

La plupart des opérations de secours en mer s'appuient aujourd'hui sur des prévisions numériques opérationnelles afin de coordonner les moyens d'action et de cibler les zones d'intervention prioritaires. Pour des cas de pollution marine ou pour la recherche d'objets dérivants, des modèles de trajectoire spécifiques existent et permettent d'élaborer des scenarii plus ou moins réalistes à partir de courants modélisés. La fiabilité de ces systèmes est en grande partie conditionnée par la qualité de ces courants prévus et utilisés. Ce travail de thèse s'intéresse à la modélisation des processus océaniques qui modifient les propriétés adjectives du courant, en particulier à proximité de la surface, où les vitesses sont les plus fortes, et où des structures de fine échelle liées aux interactions avec l'atmosphère et à des processus turbulents en complexifient l'estimation. La méthodologie adoptée est la classique confrontation modèle-observation pour deux cas d'étude distincts, l'un en Méditerranée occidentale (hiver 2007) et l'autre en Atlantique Est-Équatorial près de l'embouchure du Congo (printemps 2008). À partir d'outils numériques dérivés de l'opérationnel, il est tenté de reproduire des trajectoires réelles de flotteurs de surface en réalisant diverses études de sensibilité. Les prévisions de courant sont générées à partir de configurations régionales à haute résolution basées sur le code d'océan NEMO. Le logiciel Ariane (B. Blanke, 1997) utilise les propriétés de surface du courant, alors que le modèle d'hydrocarbure Mothy (Météo France) utilise une extraction en profondeur afin de compléter sa modélisation interne de l'océan en réponse aux changements rapides du forçage atmosphérique. Cette étude cible des échelles de prévisions de quelques heures à trois jours au maximum (échéance typique demandée en cas de crise). Les tests ciblent la résolution horizontale, l'impact des paramétrisations sur les forçages et la représentation des processus physiques, en particulier ceux rencontrés par les bouées, comme par exemple le panache du fleuve Congo en Angola.

Une description réaliste des processus physiques du sol, de la végétation, de la couche de neige et de la couche de mélange des lacs et des océans dans les modèles de prévision du temps contribue à l'amélioration des prévisions météorologiques aux échéances allant de l'échelle journalière à l'échelle saisonnière. De plus, les méthodes d'assimilation permettant l'initialisation des variables pronostiques des schémas de surface sont essentielles pour corriger les erreurs accumulées en surface, provenant des forçages et de la modélisation. Je présente dans ce mémoire une synthèse de mes travaux de recherches qui ont porté sur le développement et la validation de schémas de surface pour la prévision numérique du temps ainsi que sur le développement de techniques d'assimilation innovantes pour les surfaces continentales. L'ensemble de ces activités se sont appuyées sur la disponibilité de données d'observations (in-situ et par télédétection) informatives sur les processus modélisés. Je termine en proposant plusieurs pistes à explorer pour la modélisation et l'assimilation des processus de surface pour diverses applications environnementales.