L'éruption de 2010 du Merapi est la première grande éruption explosive du volcan qui a été observée instrumentalement. Dans ce travail, nous étudions les précurseurs de l'éruption et le comportement du volcan avant l'éruption en reliant les caractéristiques sismiques avec d'autres observations disponibles. Nous présentons les principaux aspects de l'activité sismique au cours de la crise de 2010, tels que la chronologie de la sismicité, l'évolution spatio-temporelle des positions de source de séisme et les changements de vitesse sismique. En effectuant des localisations absolues et relatives, nous obtenons des preuves de l'existence de zones asismiques, concordant avec des études antérieures, que nous interprétons comme des zones plus ductiles. La migration du magma de la partie profonde à la partie superficielle du conduit à travers la zone asismique supérieure est mise en évidence par un déplacement vers le haut des hypocentres. Nous analysons l'énergie sismique quantifiée par le RSAM calculé pour plusieurs bandes de fréquences. Ces fonctions affichent des accélérations claires dans les dernières semaines avant l'éruption. Ce comportement est utilisé pour effectuer des prévisions d'éruption volcanique rétrospective avec la méthode « Material Failure Forecast » ou FFM. Le début de la première éruption est estimé avec une bonne précision. Nous proposons une méthode originale de détection d'événement basée sur un rapport d'énergie. En utilisant cette méthode et la corrélation de la forme d'onde, nous identifions 10 familles de séismes similaires. Ces multiplets sismiques sont situés en dessous ou au -dessus de la zone asismique supérieure et sont composés soit d'événements volcano-tectoniques soit d'événements basse fréquence. Certains de ces groupes ont été actifs pendant plusieurs mois avant la crise éruptive alors qu'une famille qui comprend 119 événements répétitifs est apparue 20 heures avant le début de l'éruption. Nous estimons des variations de vitesse sismique, liées principalement à l'activité magmatique, en utilisant la coda des multiplets et les fonctions d'intercorrélation du bruit sismique. Ces variations montrent une forte variabilité spatiale et temporelle de leur amplitude et de leur signe. Bien qu'elles ne puissent pas être décrites par une simple tendance unique, ces variations de vitesse peuvent être considérées comme un précurseur de l'éruption. En utilisant les résultats précédents ainsi que d'autres observations, nous déterminons les particularités associées à la grande éruption explosive de 2010. En outre, nous proposons un scénario chronologique de l'activité pré- éruptive du Merapi. / The 2010 eruption of Merapi is the first large explosive eruption of the volcano that has been instrumentally observed. In this work, we study the eruption precursors and the pre-eruptive volcano behaviour by linking seismic features with other available observations. The main characteristics of the seismic activity during the 2010 crisis, including the chronology of seismicity, the spatio-temporal evolution of earthquake source positions and the seismic velocity changes, are presented. By performing absolute and relative locations, we obtain evidences of aseismic zones which are consistent with earlier studies and are interpreted as more ductile zones. Magma migration from the deep to the shallow part of the conduit through the upper aseismic zone is revealed by an upward shift of the hypocenters. We analyse the seismic energy quantified by RSAM calculated for several frequency bands. These functions display clear accelerations in the last few weeks before the eruption. This behaviour is used to perform hindsight eruption forecasting with the Material Failure Forecast method (FFM). The onset of the first eruption is estimated with a good precision. We propose an original method of event detection based on energy ratio. Using this method and waveform correlation, we identify 10 families of similar earthquakes. The seismic multiplets are located either below or above the upper aseismic zone and are composed of either volcano-tectonic or low-frequency events. Some of the clusters were active during several months before the eruptive crisis while a family that includes 119 repeating events appeared 20 hours before the eruption onset. Seismic velocity variations associated mainly with magmatic activity are estimated using the coda of both multiplets and noise cross correlation functions. These variations display strong temporal and spatial variability of their amplitude and sign. Although they cannot be described by a unique simple trend, these velocity variations can be considered as an eruption precursor. Using the preceding results together with other observations, we determine the specific features associated with the large explosive eruption of 2010. Furthermore, we propose a chronological scenario of the pre-eruptive activity of Merapi 2010 unrest.

Les muons atmosphériques sont des particules élémentaires créées lors de l’interaction des rayons cosmiques de haute énergie avec les atomes de la haute atmosphère. Leur capacité à traverser de grandes quantités de matière et leur abondance au niveau du sol permet d’utiliser leur flux comme support à la radiographie de grands objets. Cette technique, la muographie, possède notamment comme sujet d’application possible l’étude de volcans. La collaboration Tomuvol, au sein de laquelle cette thèse s’est déroulée, vise à mettre au point un détecteur et les techniques d’analyse permettant la réalisation d’une telle mesure avec comme sujet d’étude un volcan auvergnat : le Puy de Dôme. Ce manuscrit présente les contributions à ce travail du point de vue instrumental tout d’abord, avec la calibration et l’optimisation des performances des chambres GRPC utilisées pour la mesure. Les performances du détecteur lors des diverses campagnes de prise de données qui se sont déroulées au pied du Puy de Dôme sont également résumées. Dans une deuxième partie, l’accent est porté sur l’analyse physique des données obtenues avec, dans un premier temps, la description des travaux de simulation Monte-Carlo mis en œuvre avec le logiciel GEANT4. Puis, une technique d’estimation du flux transmis de muons atmosphériques à l’aide d’une méthode de type noyaux est présentée, et la carte de densité estimée du Puy de Dôme qui en découle est comparée aux résultats issus de techniques géophysiques. / Atmospheric muons are elementary particles originating from the interaction of high energy cosmic rays with atoms in the upper atmosphere. Their ability to travel through a large amount of matter and their abundance at ground level allows for their flux to be used as a probe for the radiography of big objects. This technique, muography, can in particular be of interest for the study of volcanoes. The Tomuvol collaboration, within which this thesis took place, aims at developing a detector and analysis techniques allowing to perform such a measurment, using a volcano from Auvergne as a case study : the Puy de Dôme. This document describes the author’s contributions to this work, focusing on the intrumentation aspect first, with the calibration and optimisation of the GRPC chambers used to perform the measurment. The performances of the detector during the various campaigns of data acquisition at the base of the Puy de Dôme are also sumed up. A second part is dedicated to the physical analysis of the data with, firstly, the description of the Monte-Carlo simulations that were developed using the GEANT4 software. Then, a kernel-like estimation method of the transmitted flux of atmospheric muons is described, and the density map of the Puy de Dôme thus obtained is compared to results coming from geophysical techniques.

L’intérêt de la télédétection appliquée aux volcans actifs et potentiellement dangereux a été démontré depuis longtemps dans la mesure où cette technique a participé à l’amélioration de la compréhension des processus éruptifs et des aléas volcaniques, amélioration qui permet une réduction des risques volcaniques. Nous avons entrepris plusieurs études volcanologiques reposant sur l’usage d’images de moyenne et haute résolution spatiale, qu’elles soient optiques (IKONOS, Pléiades, GeoEye, Quickbird and SPOT5), radar (ALOS-PALSAR) ou bien thermiques (ASTER et MODIS «hot spot»). Associées à l’analyse de MNTs et de photographies aériennes acquises par un drone, ces études ont consisté à appliquer des techniques de télédétection sur le Semeru et le Merapi, deux des volcans composites les plus actifs et les plus densément peuplés de l’ile de Java en Indonésie. Cette recherche fondée sur la télédétection a permis de mettre en évidence des structures géologiques et tectoniques, d’identifier, de classer et de cartographier des dépôts éruptifs sur les deux volcans et a servi à améliorer l’évaluation des risques à la suite des grandes éruptions de 2002-2003 au Semeru et de 2010 au Merapi. Nous avons également initié une étude afin de comprendre les interactions entre l’activité éruptive et le contexte sismo-tectonique régional en utilisant l’analyse des données MODIS avec la méthode MODVOLC. Nous avons remis à jour la carte géologique du volcan Semeru en y associant des données issues de l’interprétation d’images HSR récentes, des photographies aériennes, l’analyse de MNTs et des observations de terrain, notamment dans le réseau hydrograhique qui convoie des lahars. Nous avons décrit l’histoire éruptive postérieure à 2001 au Semeru en incluant la grande éruption à l’origine des écoulements pyroclastiques (EPs) en 2002-2003 et les éruptions effusives de 2012-2014, qui constituent un phénomène rarement observé sur ce volcan. Le Semeru a produit un volume de 2.5 ± 0.5 106m3 de coulées de lave provenant du cratère sommital entre 2010 et 2014, ce qui peut annoncer, pour la première fois depuis 1967 ou 1941, une modification profonde du style éruptif de ce volcan. Au moment de terminer cette thèse, le dome-coulée situé dans le cratère Jonggring-Seloko continue à croître et les coulées de lave dépassent 2 km de longueur dans la cicatrice majeure en pente raide sur le flanc SE ; leurs fronts pourraient s’effondrer et produire des EPs dont le volume moyen pourrait excéder les valeurs de 3 à 6.5 million de m3 mesurées sur la période 1967-2007. Les écoulements futurs pourront déborder des parois de la cicatrice vers l’aval et se propager vers les vallées des flancs est et sud-ouest. L’épisode éruptif du 26 octobre au 23 novembre 2010 s’est avéré l’événement majeur de l’activité du Merapi depuis 1872. Notre interprétation des images HSR démontre qu’à l’issue des éruptions explosives, le sommet du Merapi a perdu un volume de 10 x 106m3 et la gorge de Gendol orientée SSE a été élargie jusqu’à mesurer 1.3 x 0.3 x 0.2 km. Le nouveau cratère élargi et profond inclut le dome post-2010, qui a été fracturé en 2013, tandis que ses parois verticales instables peuvent être fragilisées par les explosions mineures de 2013 et 2014. Nous avons identifié et cartographié les dépôts pyroclastiques et de lahar de 2010 en appliquant plusieurs méthodes de classification aux images optiques HSR et aux données polarisées de Radar à Synthèse d’Ouverture (RSO). Les résultats démontrent la capacité de l’imagerie satellitaire HSR à capturer l’extension et les impacts de dépôts immédiatement après une grande éruption et avant tout remaniement. Cette technique met en exergue l’utilité de l’imagerie haute résolution et des données radar pour les volcans en activité persistante dont l’accès est souvent rendu impossible. (...) / Remote sensing has long been recognized as a tool for analysis at active and hazardous volcanoes because it can augment our understanding of the processes that underlie volcanic activity so as enable us to apply this understanding to volcanic risk reduction. This thesis presents a volcanological study using High-Spatial Resolution optical images (IKONOS, Pléiades, GeoEye, Quickbird and SPOT5 satellites), radar data (ALOS-PALSAR sensor) and thermal (ASTER satellite and MODIS hot spot) images. In association with DEMs and low-altitude aerial photographs, remote sensing techniques have been applied for tracing the evolution of activity at Semeru and Merapi, two of the most active and densely populated volcanoes in Java, Indonesia. This remotely sensing-based study has unraveled structures, geological features and erupted deposits of both volcanoes and has improved the existing hazard assessment after their most recent eruptions. The thesis also presents the first advance towards deciphering possible interactions between regional tectonic earthquakes and renewed stages of eruptive activity of Merapi and Semeru volcanoes based on the analysis of volcanic hotspots detected by the MODVOLC technique. The geological map of Semeru is updated, including additional data derived from the interpretation of the most recent satellite images, aerial photographs, DEM analysis and fieldwork. The post-2001 eruptive activity at Semeru, including the large PDC-forming eruption in 2002-2003 and uncommon lava flow eruptions in 2010-2014 are investigated. The fact that Semeru has produced several lava flows from the central summit vent between 2010 and 2014 may herald a profound change in eruption style for the first time since at least 1967. At the time of writing, a dome-fed coulée in the Jonggring-Seloko crater continues to grow and lava flows are extending to distances of >2 km down Semeru's SE-scar; their fronts may collapse and produce large-volume pyroclastic density currents (PDCs), perhaps exceeding the average (1967-2007) volume range of 3 to 6.5 million m3. Future dome-collapse PDCs may travel farther down the main SE scar and can spill over its lowermost rims towards the southwest and eastward radiating drainage network. The 26 October-23 November 2010 eruption was the Merapi’s largest event since 1872 (it attained VEI=4). The interpretation of HSR images shows that due to the explosive eruptions, the summit area lost about 10 x 106m3 and the SSE-trending Gendol Breach enlarged to reach 1.3 x 0.3 x 0.2 km in size. The new, enlarged and deep summit crater including the 2010 lava dome is extremely unstable having been weakened by the post-2010 explosive events. This instability is a result of the steep Gendol Breach below the mouth of the crater and the steep and unstable crater walls. The 2010 Merapi pyroclastic and lahar deposits have been identified by applying several classification methods to HSR optical images and dual-polarization synthetic aperture radar (SAR) data. The results show the ability of remotely sensed data to capture the extent and impacts of pristine deposits shortly after emplacement and before any reworking, and highlight the purpose of using high-spatial resolution imagery and SAR data on persistently active volcanoes where access for field survey is often impossible. The 2010 tephra and PDC deposits covered ca. 26 km2 in two catchments of Gendol and Opak Rivers on Merapi’s south flank, i.e. 60-75% of the total PDC deposit area and a total bulk volume of 45 x 106m3. The tephra-fall deposit covered an area of ca. 1300 km2 with a volume range of 18-21 x 106m3. Volumes of these deposits were estimated using the areas determined from remote sensing data and deposit thickness measured in the field. (...) / Penginderaan jauh telah lama dikenal sebagai suatu alat untuk analisis di gunungapi aktif dan berbahaya karena dapat meningkatkan pemahaman kita tentang proses yang mendasari aktivitas gunung berapi sehingga memungkinkan kita untuk menerapkan pemahaman ini dalam pengurangan risiko erupsi gunungapi. Disertasi ini menyajikan studi vulkanologi menggunakan citra satelit optik resolusi tinggi (IKONOS, Pléiades, GeoEye, Quickbird dan SPOT5), data radar (ALOS-PALSAR sensor) dan citra termal (satelit ASTER dan hotspot MODIS). Dalam kaitannya dengan DEM dan foto udara, teknik penginderaan jauh telah diterapkan untuk melihat evolusi aktivitas di Semeru dan Merapi, dua gunung berapi yang paling aktif dengan kepadatan penduduk yang tinggi terletak di Pulau Jawa, Indonesia. Studi berbasis penginderaan jauh ini telah mengkaji struktur, fitur geologi dan material erupsi dari kedua gunungapi tersebut dan telah mempertajam penilaian bahaya yang ada setelah erupsi terkini. Disertasi ini juga menyajikan kemajuan awal dalam menafsirkan kemungkinan interaksi antara gempa tektonik regional dan aktivitas gunungapi Merapi dan Semeru berdasarkan analisis hotspot vulkanik yang terdeteksi oleh MODVOLC. Peta geologi Semeru telah diperbaharui dengan memasukkan data tambahan yang berasal dari interpretasi citra satelit terbaru, foto udara, analisis DEM dan data lapangan. Aktivitas erupsi pasca-2001 di Semeru, termasuk erupsi dengan aliran pirokastik (Pyroclastic Density Current/PDC) besar pada tahun 2002-2003 dan erupsi tidak biasa dengan aliran lava pada 2010-2014, telah dikaji. Fakta bahwa Semeru telah menghasilkan beberapa aliran lava dari kawah di puncak antara tahun 2010 dan 2014, mengindikasikan perubahan besar dalam gaya erupsi untuk pertama kalinya setidaknya sejak 1967. Pada saat penulisan disertasi ini, sebuah kubah lava (Coulée) di kawah Jonggring- Seloko terus tumbuj dan aliran lava yang memanjang hingga jarak >2 km arah tenggara Semeru; ujung lava kemungkinan dapat runtuh dan menghasilkan aliran piroklastik yang mungkin melebihi volume rata-rata (tahun 1967 hingga 2007) dalam kisaran 3-6.5 juta m3. Aliran piroklastik yang akan datang mungkin mengalir sepanjang gawir utama ke arah tenggara dan dapat menyebar melampaui lereng paling bawah ke arah barat daya dan ke arah timur menyebar ke jaringan drainase. Erupsi yang terjadi pada 26 Oktober-23 November 2010 adalah erupsi terbesar Merapi (mencapai VEI 4) sejak 1872. Interpretasi citra resolusi tinggi menunjukkan bahwa daerah puncak kehilangan batuannya sekitar 10 juta m3 akibat erupsi eksplosif. Erupsi juga memperbesar “Gendol Breach” dengan orientasi tenggara menjadi berukuran 1.3x0.3x0.2 km. Kawah puncak yang baru, diperbesar dan dalam, termasuk juga kubah lava tahun 2010 sangat tidak stabil dan telah diperlemah oleh beberapa erupsi eksplosif pasca-2010. Ketidakstabilan ini diakibatkan oleh curamnya Gendol Breach di bawah mulut kawah dan kondisi dinding kawah yang curam dan tidak stabil. Deposit piroklastik dan lahar diidentifikasi dengan menerapkan beberapa metode klasifikasi terhadap citra optik resolusi tinggi dan data dual-polarisasi Synthetic Aperture Radar (SAR). Hasilnya menunjukkan kemampuan data penginderaan jauh untuk merekam jangkauan dan dampak dari deposit murni sesaat setelah pengendapan dan sebelum proses erosi, serta menyoroti tujuan penggunaan citra resolusi tinggi dan data SAR di gunungapi sangat aktif dengan akses untuk survei lapangan sering kali tidak memungkinkan. Endapan tephra dan PDC menutupi area sekitar 26 km2 di dua DAS, Kali Gendol dan Opak, di sisi selatan Merapi, atau 60-75% dari total luas endapan PDC, dan total volume 45 juta m3. Deposit tephra jatuh menutupi area seluas sekitar 1.300 km2 dengan volume 18-21 juta m3. Volume endapan vulkanik ini diestimasi menggunakan informasi luas yang ditentukan dari data penginderaan jauh dan ketebalan yang diukur di lapangan. (...)

L'évolution de la majorité des volcans basaltiques est marquée par des phénomènes récurrents d'instabilité latérale. De nombreux facteurs d'instabilité, impliqués dans des déstabilisations à long terme ou des effondrements de flancs instantanés, ont été recensés depuis l'événement majeur qui a frappé le Mont Saint-Helens en 1980. Cependant, le rôle de ces facteurs sur la stabilité mécanique des édifices est mal contraint dans la mesure où les glissements de flancs résultent en général de plusieurs causes simultanées. Notre étude se concentre sur une comparaison des caractéristiques morphologiques et structurales de deux systèmes basaltiques, La Réunion (Océan Indien, France) et Stromboli (Mer Tyrrhénienne, Italie). Nous avons montré que, bien qu'ayant des volumes et des contextes géodynamiques très différents, les systèmes sont tous deux caractérisés par une activité intrusive intense le long de rift zones et ont subi des déstabilisations latérales récurrentes durant leur évolution. Parmi les facteurs d'instabilité, les exemples de La Réunion et de Stromboli soulignent l'influence majeure des complexes intrusifs dans la croissance et le démantèlement des volcans, comme le prouvent les études de terrain et la surveillance des ces volcans actifs. Les modèles classiques considèrent que le processus d'instabilité latérale en domaine volcanique résulte de la mise en place d'une ou plusieurs intrusions verticales, entrainant des mouvements de flancs le long d'une surface de glissement pré-existante. De nouvelles données de terrain obtenues au Piton des Neiges (La Réunion), ainsi que des données de littérature sur d'autres édifices, ont permis de mettre en évidence le rôle des intrusions sub-horizontales dans les déstabilisations de flancs et de caractériser la géométrie des intrusions sub-verticales et sub-horizontales au sein des volcans basaltiques. Cette étude compare les résultats de la modélisation numérique des champs de déplacements de surface crées par la mise en place d'intrusions magmatiques à faible / fort pendage dans les édifices basaltiques, grâce à une méthode d'éléments frontières mixte (Mixed Boundary Element Method), dans le but de déterminer le comportement mécanique d'un édifice soumis à des injections magmatiques sous différents champs de contraintes. Les résultats de cette étude montrent qu'un champ de contraintes anisotrope favorise le glissement le long des intrusions, généré par la contrainte cisaillante co-intrusive, à l'origine de déplacements à l'échelle du flanc de l'édifice. Ces déplacements de grande ampleur, préférentiellement liés à des intrusions subhorizontales, peuvent probablement déclencher des grands glissements latéraux si leur amplitude dépasse le seuil de stabilité de l'édifice. L'application des résultats théoriques à des exemples réels de déformations enregistrées sur des volcans basaltiques (dont La Réunion et Stromboli, au cours de leurs crises éruptives de 2007) révèle que le modèle de déstabilisation associée à des intrusions sub-verticales est un mécanisme pouvant générer des effondrements de flancs sur des petits édifices à fortes pentes comme Stromboli. De plus, nos données de terrain et les résultats de modélisation confirment l'importance des intrusions sub-horizontales dans l'évolution morpho-structurale des grands édifices basaltiques à faibles pentes comme le Piton de la Fournaise (La Réunion), l'Etna ou le Kilauea, et plus particulièrement dans les instabilités de flancs pouvant causer des tsunamis dévastateurs. / Most basaltic volcanoes are affected by recurrent lateral instabilities during their evolution. Numerous factors have been shown to be involved in the process of flank destabilization occurring over long periods of time or by instantaneous failures. However, the role of these factors on the mechanical behaviour and stability of volcanic edifices is poorly-constrained as lateral failure usually results from the combined effects of several parameters. Our study focuses on the morphological and structural comparison of two end-member basaltic systems, La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (southern Tyrrhenian sea, Italy). We showed that despite major differences on their volumes and geodynamic settings, both systems present some similarities as they are characterized by an intense intrusive activity along well-developed rift zones and recurrent phenomena of flank collapse during their evolution. Among the factors of instability, the examples of la Reunion and Stromboli evidence the major contribution of intrusive complexes to volcano growth and destruction as attested by field observations and the monitoring of these active volcanoes. Classical models consider the relationship between vertical intrusions of magma and flank movements along a preexisting sliding surface. A set of published and new field data from Piton des Neiges volcano (La Reunion) allowed us to recognize the role of subhorizontal intrusions in the process of flank instability and to characterize the geometry of both subvertical and subhorizontal intrusions within basaltic edifices. This study compares the results of numerical modelling of the displacements associated with high-angle and low-angle intrusions within basaltic volcanoes. We use a Mixed Boundary Element Method to investigate the mechanical response of an edifice to the injection of magmatic intrusions in different stress fields. Our results indicate that the anisotropy of the stress field favours the slip along the intrusions due to cointrusive shear stress, generating flank-scale displacements of the edifice, especially in the case of subhorizontal intrusions, capable of triggering large-scale flank collapses on basaltic volcanoes. Applications of our theoretical results to real cases of flank displacements on basaltic volcanoes (such as the 2007 eruptive crisis at La Reunion and Stromboli) revealed that the previous model of subvertical intrusions-related collapse is a likely mechanism affecting small-scale steeply-sloping basaltic volcanoes like Stromboli. Furthermore, our field study combined to modelling results confirms the importance of shallow-dipping intrusions in the morpho-structural evolution of large gently-sloping basaltic volcanoes like Piton de la Fournaise, Etna and Kilauea, with particular regards to flank instability, which can cause catastrophic tsunamis.

Mount Meager est un complexe volcanique glaciaire en British Columbia (Canada). Il est connu pour ses glissements de terrain, dont celui de 2010 étant le plus grand glissement de terrain historique au Canada. Dans cette thèse, nous avons étudié les processus d'instabilités du volcan Mont Meager ainsi que les effets de la déglaciation en cours. Nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire, intégrant la cartographie géologique, géomorphologique et structurelle, du terrain et de la télédétection, pour caractériser l'activité glaciaire et les glissements de terrain au Mount Meager. Nous avons utilisé la photogrammétrie Structure from Motion (SfM) et la technologie Lidar pour produire des modèles numériques de terrain, et techniques InSAR pour surveiller le mouvement et la déformation des pentes du volcan. Nous avons appliqué la technique SfM à des photographies aériennes historiques pour documenter les activités des glaciers et des glissements de terrain au Mount Meager. Nous avons discuté un modèle de croissance et d'érosion d'un volcan en période glaciaire et interglaciaire, ainsi que la valeur scientifique et de vulgarisation de la reconstruction topographique 3D. Nous avons décrit les dépôts de glissement de terrain de 2010 à Mount Meager pour interpréter la dynamique de leur mise en place. Le glissement de terrain de 2010 s'est divisé en phases riches en eau et pauvres en eau, ayant des distances d'écoulement différentes et des dépôts distincts. Nous avons analysé des photographies aériennes historiques remontant à 1948, afin de documenter la déformation de la pente avant l'effondrement de 2010. Le glacier situé a proximité du pied de la pente a reculé durant les années précédents la rupture. Cette effondrement a évolué en quatre sous-effondrements, impliquant toute la séquence volcanique et le socle. Nous avons estimé 6 × 106 m3 d'eau dans la pente, ce qui a permis la séparation de la phase frontale riche en eau. Le volume total d'effondrement est 53 ± 3.8 × 106 m3. Nous avons identifié 27 grands (>5×105 m2) flancs instables au Mount Meager et calculé a ~1.3 km3 de récession des glaciers depuis 1987. Le flanc ouest de Plinth Peak et de la vallée de Devastation Creek se sont déplacés de -34±10 mm -36±10 mm, respectivement, dans un période de 24 jours pendant l'été 2016. L’effondrement de ces flancs pourrait avoir un impact important sur les infrastructures et les communautés en aval du volcan. La décompression résultant de l'édifice volcanique après l'effondrement du flanc ouest de Plinth Peak affecterait le champ de contrainte à une profondeur de 6 km et jusqu'à 4 MPa. Cette décompression soudaine pourrait mener des éruptions hydrothermales et magmatiques. Un important glissement de terrain pourrait donc avoir joué un rôle dans le déclenchement de l'éruption de 2360 cal BP. / Mount Meager is a glacier-clad volcanic complex in British Columbia, Canada. It is known for its landslides, of which the 2010 is the largest Canadian historical landslide. In this thesis we investigated slope instability processes at Mount Meager volcano and the effects of ongoing deglaciation. We used a variety of methods including field and remote, geological, geomorphological and structural mapping to characterize glacial and landslide activity at Mount Meager. We used Structure from Motion photogrammetry (SfM) and Lidar to produce digital surface models and InSAR to monitor slope deformation. We applied SfM to historic photography to document glacier and landslide activity at Mount Meager. We discussed a model of growth and erosion of a volcano in glacial and interglacial periods, and the scientific and dissemination value of historic 3D topographic reconstruction. We described the 2010 Mount Meager landslide deposit to interpret emplacement dynamics and kinematics. The 2010 landslide separated in water-rich and water-poor phases that had different runout and distinct deposits. We analyzed historic airphotos to constrain the slope deformation prior to the 2010 collapse. The glacier near the toe of the slope retreated in the failure lead up, the collapse evolved in four subfailures involving the whole volcanic sequence and some basement rocks. We estimated 6 × 106 m3 of water in the slope, that allowed the separation of the frontal water-rich phase. The total failure volume was 53 ± 3.8 × 106 m3. We identified 27 large (>5×105 m2) unstable slopes at Mount Meager and calculated ~1.3 km3 of ice loss since 1987. The west flank of Plinth peak and Devastation Creek valley moved up to -34±10 mm and -36±10 mm, respectively, over a 24-day period during the summer of 2016. The failure of these slopes could impact infrastructures and communities downstream of the volcano. The resulting decompression on the volcanic edifice after the failure of Plinth peak would affect the stress field to a depth of 6 km and up to 4 MPa. This sudden decompression could lead to hydrothermal or magmatic eruptions.

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.

Connaître mieux l'intérieur de la Terre nécessite d'améliorer les méthodes d'investigation géophysique. Cette thèse s'est interessée à une classe importante de ces méthodes : la tomographie sismique. La tomographie sismique classique utilise des temps d'arrivée d'ondes sismiques, dont la précision dépend du pas d'échantillonnage et du pointé de l'onde. Lorsque les trains d'onde sont similaires, c'est-à-dire lorsque les sources et/ ou les récepteurs sont proches, on peut calculer, avec une précision inférieure au pas d'échantillonnage, le décalage temporel entre les trains d'ondes. Cette thèse a eu pour objectif l'utilisation de telles données en tomographie sismique. Utiliser pleinement la précision de ces données a nécessité une revisite complète des algorithmes de tomographie, tant du point de vue du problème direct que du point de vue du problème inverse. Une solution robuste et précise a été trouvée au problème direct (calcul du temps de propagation des ondes dans un milieu hétérogène). Une attention particulière a été portée au problème inverse : une approche Tarantola-Valette a été utilisée, de façon à trouver le modèle de norme minimale qui ajuste les données. La minimisation de cette norme est obtenue par l'introduction d 'une fonction de corrélation des paramètres du modèle, dont la longueur et l'amplitude sont ajustées en suivant une procédure d'optimisation. De cette façon, toute fluctuation du modèle est contrainte par les données. L'algorithme mis au point a été utilisé avec des données provenant de séismes du volcan Kilauea (Hawaii) enregistrés par le réseau local USGS-HVO (50 stations). Il a permis de retrouver le modèle de vitesse à deux échelles : (1) une échelle régionale, où l'on retrouve le système magmatique profond, sous les calderas et les rifts du Mauna Loa et du Kilauea; le modèle trouvé permet d'expliquer les déformations mises en évidence dans la croûte océanique, la distribution confinée de la sismicité et les déformations intenses du flanc Sud du Kilauea; (2) une échelle locale, où l'on met en évidence un conduit magmatique sub-vertical sous la caldera et le rift Est du Kilauea, indétectable avec d'autres données. Cette méthode, précise, permet de choisir un modèle unique et stable à l'aide un critère d'optimisation objectif.

While Andosols have a proven capacity to buffer acid inputs, their long-term chemical response to elevated acid deposition remains poorly known. In this respect, the high anion retention capacity of Andosols constitutes a key parameter. Yet, the mechanisms involved in anion retention, especially sulphate, are still a matter of scientific debate. In this study, we report on the impacts of volcanogenic S and acid depositions on (i) the sulphate distribution and (ii) the processes involved in the neutralisation of the acid inputs, in two distinct soil series located downwind from Masaya volcano (Nicaragua), one of the world's largest natural source of SO2. The first series corresponds to weathered Eutric Andosols rich in allophanic constituents and the second series to weakly developed Vitric Andosols rich in volcanic glass. Long-term acid gas emission by Masaya volcano has led to important changes in the chemistry of the Andosols downwind. Sustained acid inputs have decreased the pH and exchangeable base cations contents in both Vitric and Eutric soils. These soils also show substantial S enrichment (up to 5470 mg S kg-1). However, these changes do not affect the soil acid neutralising capacity of the solid phase (ANCs) in a significant way. Despite the larger ANCs of the Vitric comparatively to the Eutric Andosols, soil pH was less in the Vitric than in the Eutric Andosols. This is related to the naturally and kinetically different mechanisms involved in the regulation of the volcanogenic acid fluxes: mineral weathering (slow kinetics) is the dominant process in Vitric Andosols, whereas cation exchange and sulphate sorption (rapid kinetics) significantly contribute to regulate proton consumption in Eutric Andosols. Formation of basic aluminium sulphate (BAS) [(K,Na)nAlx(OH)y(SO4)z] minerals in soils exposed to volcanogenic S-rich acid inputs was inferred from the results of selective extraction experiments (NH4F, KH2PO4 and oxalate). Precipitation of BAS probably constitutes the most effective inorganic SO42- retention mechanism (9-51% of total S), SO42- adsorption onto soil constituents (1-36% of total S) and occlusion into short-range ordered minerals (0-22% of total S), probably governed by ferrihydrite, constituted additional effective inorganic SO42- retention processes. Using transmission electron microscopy coupled with energy-dispersive analysis, we provide the first direct evidence of BAS minerals in soils. BAS minerals can form in these Andosols, because of the large inputs of H+ and SO2 and the availability of readily weatherable volcanic glass, which acts as an effective source of Al. Surface precipitation, i.e. two-dimensional chemisorption followed by three-dimensional nucleation and precipitation, rather than direct precipitation from solution, is likely the formation pathway of BAS particles in these soils. / Malgré une capacité importante à neutraliser les apports acides, le fonctionnement à long terme des Andosols est aussi susceptible d'être affecté par les dépôts acides. A cet égard, la capacité de rétention anionique élevée des Andosols constitue un paramètre clef. Or, les mécanismes de rétention des anions, en particulier du sulfate, demeurent un sujet controversé.Nous étudions ici les effets de dépôts acides et soufrés d'origine volcanique sur (i) la distribution du sulfate et (ii) les processus impliqués dans la neutralisation des apports acides, dans deux séries d'Andosol contrastées exposées aux émissions du volcan Masaya (Nicaragua), une des principales sources naturelles de SO2 atmosphérique. La première série comprend des Andosols Vitriques possèdant une réserve importante de minéraux altérables de nature vitreuse et la seconde est constituée d'Andosols Eutriques, plus évolués, possèdant des teneurs élevées en minéraux secondaires à organisation cristalline à courte distance. Les émissions prolongées de gaz acides provenant du volcan Masaya modifient fortement la chimie des sols exposés à ces apports. Ainsi, le pH et les teneurs en cations échangeables des Andosols Vitriques et Eutriques diminuent alors que la concentration totale en S augmente (jusqu'à 5470 mg S kg-1) en réponse aux apports d'acides. Par contre, la capacité de la phase solide de ces sols à neutraliser l'acidité (ANCs) n'est pas significativement affectée. Malgré une ANCs plus élevée dans les Andosols Vitriques comparativement aux Andosols Eutriques, le pH de ces sols est plus faible parce que les mécanismes impliqués dans la régulation des flux de protons sont différents: ceux-ci s'opèrent principalement par des réactions lentes d'altération minérale dans les Andosols Vitriques et par des réactions rapides impliquant l'échange ionique et la sorption d'anions sulfates dans les Andosols Eutriques. Sur base d'extractions sélectives (NH4F, KH2PO4 et oxalate), l'immobilisation sous forme de minéraux hydroxy-alumino-sulfatés [(K,Na)nAlx(OH)y(SO4)z] apparaît comme le mécanisme de rétention du SO42- inorganique le plus important (9-51% du S total), l'adsorption du SO42- à la surface de constituants du sol (1-36% du S total) et le piégeage du SO42- (0-22% du S total), vraisemblablement au sein d'oxydes de fer mal cristallisés, constituent également des processus efficaces de rétention du sulfate inorganique. Nous mettons en évidence par observation directe, pour la première fois, la présence de minéraux hydroxy-alumino-sulfatés dans des sols par microscopie électronique à transmission couplée à une sonde analytique EDS. La formation de ces minéraux est elle-même favorisée par l'apport considérable de sulfate d'origine volcanique et l'hydrolyse intense des verres qui libère l'aluminium en solution. La précipitation à la surface des phases adsorbantes plutôt que la précipitation directe en solution semble être le mécanisme de formation des minéraux hydroxy-alumino-sulfatés dans ces sols.

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.