L'activité des volcans andésitiques, tels que le Mont St Helens (États-Unis), Montserrat (Antilles) ou encore le Merapi (Indonésie), alterne entre des périodes relativement calmes, avec coulées de lave et formation d'un dôme, et des événements explosifs parfois très violents. Prévoir les transitions entre ces deux régimes est essentiel pour assurer la sécurité des populations voisines, mais demeure actuellement un vrai défi. Or les données expérimentales et les observations de terrain montrent que l'explosivité du magma est étroitement liée à son contenu en gaz. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension de l'évolution de ce contenu en gaz et de son influence sur l'activité volcanique, en nous appuyant sur des simulations numériques, l'analyse de données expérimentales ainsi que sur l'interprétation de données de déformation enregistrées au Merapi.Une part importante de ce travail réside dans le développement et l'amélioration de modèles d'écoulement en 2D pour prendre en compte le dégazage dans la partie supérieure du conduit, en régime transitoire. Nous présentons un modèle d'écoulement du gaz en temps qui tient compte des pertes en gaz aux bords du conduit et à sa sortie, selon les conditions présentes dans la roche encaissante et le dôme. Nous proposons également une adaptation des modèles de conduit permettant de coupler complètement l'écoulement du gaz avec celui du magma pour étudier l'évolution des conditions dans le conduit en régime transitoire. À partir de simulations de l'évolution du dégazage lors de l'emplacement d'un dôme, nous identifions les para-mètres contrôlant les pertes en gaz. Nos résultats montrent que ces pertes sont extrêmement sensibles à l'évolution de la perméabilité du magma et des gradients de pression autour du conduit en réponse au poids du dôme. La perméabilité du dôme a quant à elle peu d'influence. Au cours de la croissance du dôme, les pertes en gaz diminuent en profondeur. En haut du conduit, la pression du gaz augmente de quelques dizaines de MPa. Ces effets sont associés à une augmentation de l'explosivité du magma et de l'aléa volcanique en cas d'effondrement du dôme.Bien que la perméabilité du magma exerce un fort contrôle sur la perte de gaz, comme l'ont montré nos résultats, son évolution dans le conduit est peu contrainte. Les lois de perméabilité utilisées actuellement ne sont pas en accord avec l'ensemble des mesures réalisées sur des échantillons de magmas riches en silice. Dans le but d'améliorer notre compréhension du développement de la perméabilité dans le conduit, nous avons cherché à éclaircir le lien entre perméabilité, conditions d'écoulements, et caractéristiques géométriques du réseau de bulles connectées. Nous proposons une formulation du seuil de percolation, moment exact où le magma devient perméable compatible avec un grand nombre d'échantillons naturels et expérimentaux. Nous présentons aussi une nouvelle loi de perméabilité en accord avec la plupart des observations existantes, que nous avons intégrée à notre modèle 2D de dégazage. Nos résultats montrent qu'en fonction du nombre de bulles dans le magma et de la distribution de leurs tailles, l'importance des pertes en gaz et par conséquent les conditions d'écoulement dans le conduit varient d'effusives à explosives.Enfin, afin d'évaluer l'utilité des données de déformation pour suivre l'évolution des conditions d'écoulement, nous utilisons des modèles d'écoulement simples couplés à de la déformation élastique en 3D pour retrouver la déformation observée au sommet du Merapi peu avant l'éruption de 2006. Bien que ces modèles permettent de mieux comprendre les déplacements observés, le peu de données, associé à la complexité géologique et rhéologique du sommet, ainsi qu'à celle des processus physiques intervenant dans le conduit font qu'il est difficile de contraindre les conditions d'écoulement grâce à la déformation dans ce cas précis. / At silicic volcanoes, such as Mount St Helens (United States), Montserrat (British West Indies), or Merapi (Indonesia), periods of relative quiescence, with lava flows and dome emplacement, alternate with explosive, sometimes very violent events. Forecasting the effusive/explosive transitions, which is essential for the safety of nearby populations, remains currently a real challenge. However, experimental as well as field observations provide evidence that magma gas content is a major clue for understanding explosivity. This thesis, based on numerical simulations, experimental samples analysis, as well as on the interpretation of ground deformation data recorded at Merapi volcano, aims at improving our understanding of gas loss evolution, and its impact on the eruptive regime.A major part of this work consisted in developing and improving 2D axisymmetric conduit flow models for integrating gas loss in transient conditions. We provide a time-dependent model for gas flow in the upper conduit, that accounts for gas loss both at the conduit walls and at its top, depending on conditions in the surrounding rock and dome. We also propose an adaptation of conduit flow models allowing for full coupling between magma and gas flow in 2D that should be used to further investigate flow conditions evolution during transient regimes. From time-dependent gas flow simulations in the case of an effusive dome emplacement, we identify controlling parameters for gas loss. Our results provide evidence that gas loss is extremely sensitive to the evolution of magma permeability and of pressure gradients around the conduit due to dome loading, whereas, contrary to the common idea, dome permeability has almost no influence. Along with dome growth, gas loss decreases at depth, thus causing an increase in the magma gas content. At the top of the conduit, this results in an increase in gas pressure by a few tens of MPa, thus increasing the likelihood of magma explosivity and hazard in the case of a rapid decompression due to dome collapse.Although magma permeability plays a major role for gas extraction, as revealed by our results, its evolution within the conduit is poorly constrained. Currently used permeability laws fail in reassembling the whole dataset of permeability measurements from natural and experimental silicic samples. In order to improve our understanding of permeability development in the conduit, we worked on linking permeability and flow conditions with geometrical parameters that characterise the connected bubble network, based on experimental samples analysis. We propose an expression for the percolation threshold, i.e. the very moment when magma becomes permeable, that succeeds in classifying a wide dataset of natural and experimental samples. We also develop a new permeability law that reassembles most of the existing observations, and implement it within our gas flow 2D model. Results show that depending on the number of bubbles within the magma and on their size distribution, gas loss and then magma flow conditions evolve from effusive to explosive conditions.Eventually, we evaluate the applicability of monitoring flow conditions from observed ground deformation by using simplified conduit flow models, coupled with elastic deformation in 3D, to interpret ground deformation recorded in the near field at Merapi a few days before the 2006 eruption. Although conduit flow models provide important clues for interpreting observed displacements, the sparsity of field observations together with the complexity of the volcano summit geology, rheology and processes happening in the conduit make it very complex to constrain flow conditions from observed deformation.

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.

L'étude des volcans basaltiques a démontré l'importance de leur architecture interne et de leur système intrusif dans le déclenchement de déstabilisations. Découlant d'observations indirectes, les modèles élaborés demeurent néanmoins interprétatifs. À La Réunion, l'importante érosion du Piton des Neiges, en rendant accessible sa structure interne, en fait un atout majeur pour combler ces lacunes d'observation. Ce travail s'est focalisé sur le cirque de Salazie dans le but d'accroitre les connaissances de la structure interne du volcan. Nous proposons ainsi l'existence d'une chambre magmatique litée plurikilométrique située à l'aplomb du cirque de Salazie qui appartiendrait à un édifice plus ancien estimé à plus de 2 Ma. Cette chambre est recoupée par un détachement injecté de plusieurs dizaines d'intrusions basiques et surmonté par une brèche d'avalanche de débris. La déformation cataclasique des minéraux primaires des roches plutoniques du détachement indique que cette structure s'est développée dans le domaine fragile. Une déformation ductile postérieure de basse température (< 250 °C), caractérisé par une cristallisation de chlorite, pumpellyite, zéolite et de calcite s'est ensuite développée dans le détachement. Au toit de la pile de sills, des intrusions sont brèchifiés et disséminés dans la brèche. Une analyse du sill au contact avec la brèche montre l'existence d'une fabrique magmatique asymétrique révélatrice d'un déplacement co-intrusif de l'unité sus-jacente. Ces résultats suggèrent que les volcans basaltiques s'effondrent par déformation le long de plans hydrothermalisés et confirment le rôle majeur des sills dans la déstabilisation des volcans boucliers. / The study of volcanic edifices has shown that both the internal structure and the intrusive system play a role in the initiation of flank destabilization. Arising from indirect observations, the recent models remain interpretative. On Reunion Island, the exceptional erosion of the Piton des Neiges provides a rare access to the inner structure of the basaltic edifice that is propitious to bridge these gaps. Our study focuses on the plutonic rocks outcropping in Mât River (cirque of Salazie) in order to improve our knowledge of the internal structure of Piton des Neiges. Our study allows us to reveal the presence of layered plurikilometric magma chamber under the cirque of Salazie belonging to an edifice older to 2 Ma located to the NNE from the actual summit of the Piton des Neiges. The magma chamber is crosscut by a detachment intruded by tens of basic magmatic intrusions and overlapped by debris avalanche deposits. The cataclastic deformation of primary minerals in the plutonic rocks indicates that the detachment acted as a brittle zone. This is followed by a low temperature ductile deformation (< 250 °C) characterized by crystallization of chlorite, pumpellyite, zeolite and calcite in the detachment zone. At the top of the sill zone, sills are brechified and disseminated in the breccia. The presence of an asymmetric magmatic fabric in the intrusion in contact with the breccia suggests that this sill was emplaced with a normal shear displacement of its hanging wall. These results suggest that deformation of basaltic volcanoes proceeds along hydrothermalized detachments and confirm the major implication of sill intrusions in basaltic volcano flank instability.

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.

Les effondrements massifs de flancs sont des évènements destructeurs qui affectent tous les édifices volcaniques. Ces effondrements peuvent impliquer quelques dizaines, voire centaines de km3 de roche. Les volcans boucliers océaniques, bien que possédant de faibles pentes, sont également affectés par ces épisodes destructeurs, entraînant la formation de tsunamis. Dans le contexte de bouclier océanique, ces déstabilisations n’ont jamais été observées. Actuellement, seules des reliques sont présentes sur les îles volcaniques, avec la présence de cicatrices d’effondrements, de dépôts détritiques en mer ou de dépôts de tsunami sur les îles voisines. Les relations entre le magmatisme des volcans boucliers et les effondrements de flanc sont peu contraintes. Afin de mieux comprendre ces relations, deux effondrements de flanc de volcans boucliers océaniques ont été étudiés : l’effondrement de Monte Amarelo sur l’île de Fogo, dans l’archipel du Cap Vert, et l’effondrement de Güímar, situé sur la rift-zone Nord-Est de Tenerife, dans l’archipel des Canaries. Les deux archipels résultent de l’activité d’un panache mantellique sous la plaque africaine.Les produits volcaniques pré et post-effondrement de ces deux secteurs ont été étudiés d’un point de vue géochimique (majeurs, traces, isotopes Sr-Nd-Pb), pétrologique et géochronologique (K-Ar, Ar-Ar), de manière à identifier à la fois les sources et les processus magmatiques mis en jeu lors de leur formation. L’évolution temporelle des sources, ainsi que des processus magmatiques, a été reconstruite afin d’identifier d’éventuels liens avec l’effondrement de flanc étudié.Les résultats montrent que l’évolution du magmatisme de l’île de Fogo amène à la formation de zones superficielles de stockage, de complexes intrusifs et d’éruptions explosives conduisant à de nouvelles instabilités de l’édifice. Suite à l’effondrement, ces zones de stockage sont déstabilisées en quelques milliers d’années. Les processus magmatiques lithosphériques (assimilation, fusion partielle) sont également perturbés mais sur une période plus longue (plusieurs dizaines de milliers d’années). L’effondrement de Güímar ne montre aucun lien avec le magmatisme de l’île de Tenerife.La différence principale entre ces deux contextes est la localisation de la zone effondrée par rapport au système magmatique. En effet, l’effondrement de Güímar est situé en périphérie du système magmatique et ne montre aucun lien avec ce dernier ; à l’inverse l’effondrement du Monte Amarelo, situé à l’aplomb du système magmatique, se répercute rapidement sur ce système à faible profondeur, mais également à des profondeurs lithosphériques avec un délai plus long. / Massive flank collapses are destructive events that affect all volcanic edifices. They can take off huge volumes of rock, from tens to hundreds km3. Oceanic shield volcanoes are also affected by such events even if they have shallow slopes, thus, tsunamis could also be generated in this context. However, a shield volcano flank collapse has never been observed. Nowadays, only relics are visible, such as collapse scars, detritic deposit offshore or tsunami deposits on nearby islands. The relationships between collapse and magmatic history of oceanic shield volcanoes are poorly constrained. Two flank collapses are studied in this thesis, with the aim to better understand these relationships: the Monte Amarelo collapse, on Fogo Island (Cape Verde), and the Güímar collapse, located on North-East rift-zone of Tenerife (Canary Islands). Those archipelagos are the result of hot spot activity below the African plate. Geochemical (major and trace elements, and Sr-Nd-Pb isotopes), petrological and geochronological (K-Ar and Ar-Ar) analyses were carried out on volcanic samples as to identify the source and magmatic processes at stake during magma genesis. The temporal evolution of source and magmatic processes is reconstructed in order to track possible links with the flank collapse. The magmatic system of Fogo Island evolves through time, favouring the formation of superficial storage zones, intrusive complex and explosive eruptions prior to the collapse, which participate to the instability of the edifice. Following the Monte Amarelo collapse, shallow storage zones are destabilized within a few thousand years. Lithospheric magmatic processes (assimilation, partial melting) are also affected but on a longer timescale (tens of thousands years). The Güímar collapse shows no links with the magmatic evolution of Tenerife Island. The main difference between the two collapses is the location of the collapse area with respect to the plumbing system. Güímar collapse is located at the periphery of the plumbing system and show no link with the magmatic history. Contrariwise, the Monte Amarelo collapse is located directly above the plumbing system and influence rapidly the superficial plumbing system, and the deep plumbing system in the long term.