The focus of this work is to investigate the dissolution of MW25, a non-radioactive simulant of UK high-level nuclear waste borosilicate glass, and to predict its performance in the near field of a geological repository. A single-pass flow-through (SPFT) experimental system was used to measure the forward dissolution rates of MW25. Experiments were conducted in two parts. Experiment Part 1 considers the dissolution of the waste glass in deionised water at 40 and 90 oC and circum-neutral pH. Experiment Part 2 considers the dissolution of the waste glass in simulant groundwaters, with similar compositions to groundwaters of Callovo-Oxfordian clay (lower-strength sedimentary rock (LSSR)) and Borrowdale Volcanic Group rocks (higher-strength rock (HSR)), at 40 oC and pH 7. The forward dissolution rate measured in deionised water was found to be approximately one order of magnitude higher at 90 oC than at 40 oC. A similar release was observed for Si, Mg and Al at 40 oC and 90 oC, whereas the B, Cs, Na, Li and Mo showed an order of magnitude increase when the temperature was increased from 40 to 90 oC for low q/S values. The activation energy (Ea) of the reactions shows that the dissolution process is a surface phenomenon. At 90 oC the net effect of the processes governing MW25 dissolution led to the preferential release of boron and alkali metals relative to the release of Si during the transient dissolution stage, accompanied by an increase in the concentration of silicic acid. This suggests that the solution activity of silicic acid at a higher temperature has a weak influence on the release of the mobile elements. The forward dissolution rate measured in LSSR simulant groundwater was found to be slightly higher than that measured in HSR simulant groundwater. The dissolution behaviour of MW25 in both groundwaters is consistent with its behaviour in deionised water at 40 oC, with the dissolution rates of elements increasing as flow rates were increased. However, forward dissolution rates measured in the simulant groundwaters were lower than the forward dissolution rates measured in deionised water under these experimental conditions. This is attributable to the interaction of the components of the simulant groundwaters with the glass, as revealed by post-reaction surface analyses, and a consequential lower alkalinity of the leachates collected in the experiments with simulant groundwater than in deionised water. Reactive chemical transport simulations of waste glass dissolution and radionuclide release in a hypothetical near field were conducted over a time span of a million years with GoldSim. The results showed that enclosing the waste glass in a steel canister covered by a copper canister and emplacing the waste package in a granite host rock is optimal for the long-term isolation of the radionuclides. The waste glass was found to play a significant role in the overall performance of the near field. This study features a new method for estimating the surface area of reacted glass powder more accurately than the geometric surface area estimate, which is the preferred standard method among researchers.

Les grands effondrements de flanc sont des phénomènes récurrents dans l'évolution géologique des îles océaniques. Parfois catastrophiques. les épisodes de déstabilisation sont capables de générer d'importants tsunamis, et représentent donc des événements dangereux. Le îles des Açores à l’est de la Dorsale Médio-Atlantique sont situées sur la frontière de plaques diffuse entre l’Eurasie (Eu) et la Nubie (Nu), et donc sous l'influence d’un contrôle structural et d’une activité sismique importante (événements historiques de magnitude jusqu'à environ 7). Avant le projet MEGAHazards (PTDC/CTE-GIX /108149/2008, financé par FCT, Portugal), les effondrements de flanc à grande échelle étaient considérés inexistants aux Açores, principalement à cause de la petite dimension des édifices volcaniques. Ici, nous concluons sans équivoque que de tels événements se sont bien produits dans les Açores. La thèse de doctorat porte sur l'évolution de la ride volcanique escarpée de Pico-Faial, qui se trouve sur une faille normale majeur associée à la limite diffuse Nu/Eu, et particulièrement sur les grands effondrements de flanc qui ont affecté l'île de Pico. A partir de modèles numériques de terrain à haute-résolution, de nouvelles données structurales, stratigraphiques, et de datations K-Ar, nous avons: (1) calibré la stratigraphie volcanique de Pico; (2) reconstruit les phases majeures de croissance et de destruction des îles de Pico durant les derniers 200 kyr; (3) reconstruit l'évolution du slump actif du SE d'île de Pico, au cours des derniers 125 kyr; (4) fourni de nouvelles interprétations concernant l'escarpement qui coupe le flanc S du stratovolcan de Pico; (5) montré l’existence d’effondrements catastrophiques des flancs N et S de l'île de Pico entre ca. 125 et 70 ka, qui ont généré d'importants débris sous-marins; et (6) proposé que l’accommodation de l' extension associé à la limite des plaques Nu/Eu le long de la ride Pico-Faial, a été consolidée dans les derniers ca. 125 ka. De nombreux facteurs favorisant le développement des instabilités de flanc sur les îles volcaniques ont été proposés dans la littérature, mais leur rôle exact et leur contribution mutuelle restent mal compris. Nous présentons ici une solution analytique pour la théorie du Prisme Critique de Coulomb cohésif, appliquée à des instabilités gravitaires, et des simulations analogiques complémentaires pour tester certaines implications structurales du modèle. Nous étudions l'impact de variables comme: la géométrie et les dimensions du prisme, la cohésion, le coefficient de friction interne et le rapport de surpression de fluide (surpression de fluide divisé par la pression lithostatique).Nous concluons que: (1) l’augmentation de la pente des flancs du volcan et du décollement basal conduit à une diminution du rapport de surpression de fluide nécessaire pour produire la rupture; (2) la diminution de l'effet stabilisateur de la cohésion avec la profondeur du décollement basal favorise l'occurrence de déstabilisation gravitaire profonde à grande échelle pour des décollements plus profonds que 2000-2500 m. Pour des décollements basales plus superficiels, les rapports de surpression de fluide nécessaires pour induire la rupture sont relativement supérieurs. Pour les décollements moins profonds, des flancs très inclinés et des matériaux très résistants, la rupture superficielle parallèle à la surface du flanc est favorisée, par rapport à la rupture profonde; (3) Pour des profondeurs supérieures à 2500 m (cas des grands édifices volcaniques), tandis que l'impact de la cohésion diminue, l'effet de la friction interne le long du décollement basal devient relativement plus importante. L’étude des grands effondrements de flanc dans les îles des Açores, et la modélisation des variables qui contrôlent la stabilité des édifices volcaniques demeurent cependant incomplets, et seront approfondis dans un futur proche. / Large-scale flank collapses are recurrent in the geological evolution of volcanic ocean islands. Such catastrophic episodes of destabilization can be voluminous and generate large tsunamis, which may cause considerable damage and thus represent extremely hazardous events. The Azores islands east of the Mid-Atlantic Ridge are located on the Eurasia(Eu)/Nubia(Nu) plate boundary, and therefore subject to structural control and seismic activity (historical events of magnitude up to ca. 7). However, prior to MEGAHazards Project (PTDC/CTE-GIX/108149/2008, funded by FCT, Portugal), large-scale flank collapses in the Azores were considered to be lacking, mainly due to the small dimension of the volcanic edifices. Here, we conclude unequivocally on the occurrence of such events in the Azores. The present PhD thesis addresses the evolution of the Pico-Faial steep volcanic ridge, which sits on a major normal fault associated with the Eu/Nu diffuse boundary, focusing especially on the large-scale flank failures in Pico Island. Based on high-resolution sub-aerial and submarine Digital Elevation Models, new structural and stratigraphic data, and high-resolution K-Ar dating on separated volcanic groundmass, we: (1) constrain the volcano stratigraphy of Pico; (2) reconstruct the major phases of growth and destruction in Pico and Faial islands in the last 200 kyr; (3) reconstruct the ca. 125 kyr evolution of the currently active large-scale slump in the SE of Pico Island; (4) provide new structural data/interpretations regarding the scarp that sharply cuts the S flank of Pico Stratovolcano; (5) report on the occurrence of large-scale failures in the N and S flanks of the Pico Island between ca. 125 and 70 ka, which generated large submarine debris deposits; and (6) propose that the role of the Pico-Faial ridge as a structure accommodating part of the extension on the diffuse Nu/Eu boundary has been consolidated in the last ca. 125 kyr. Many factors favouring the development of such large-scale flank instabilities have been proposed in the literature, but their exact role and mutual contribution remain poorly understood. We here present an analytical solution for the cohesive Coulomb Critical Wedge theory applied to gravitational instabilities, and associated analogue simulations to test some structural implications of the model. We investigate the impact of several variables on the stability of volcanic flanks, including: wedge slope and dimensions, cohesion, internal friction along the basal detachment, and fluid overpressure. We conclude that: (1) the steepening of the volcanic flanks and basal detachment lead to a decrease in the fluid overpressure ratio (fluid overpressure divided by lithostatic pressure) necessary to produce failure. (2) The decrease of the stabilizing effect of cohesion with increasing depth of the basal detachment favours the occurrence of deep-seated large-scale gravitational destabilization in basal detachments deeper than ca. 2000-2500 m (in volcanic edifices necessarily higher than 2500 m). For shallower basal detachments, the overpressure ratios required to induce failure are comparatively larger. For shallower basal detachments, steeper flanks and stronger edifice materials, shallow failure parallel to the edifice flank surface is favoured, instead of deep-seated deformation. (3) With increasingly deeper basal detachments (possible in larger volcanic edifices), while the impact of cohesion diminishes, the relative importance of basal internal friction for the stability of the edifice increases. The investigation of the occurrence of large-scale mass-wasting in the Azores islands, and the modelling of the variables controlling the stability of the volcanic edifices are only at their first steps and will be further developed in the future.

Nous présentons une contribution autour de la modélisation des écoulements viscoplastiques. En vue d'applications réalistes telle que la simulation numérique des coulées de lave volcanique, le travail se concentre particulièrement sur les fluides complexes dont la rhéologie dépend fortement de grandeurs physiques telle que la température ou la concentration en particule. Nous développons un nouvel algorithme de résolution numérique des équations de Herschel-Bulkley combinant une méthode de Lagrangien augmenté à paramètre d'augmentation variable, une méthode des caractéristiques d'ordre 2 et une adaptation de maillage automatique. Sur des problèmes stationnaires ou en évolution tel que le problème test de la cavité entraînée, il apporte une solution efficace pour garantir à la fois une précision numérique élevée et un temps de calcul raisonnable. Cet algorithme est ensuite étendue et adapté au cas des rhéologies non-isothermes et aux suspensions. Concernant la simulation numérique des coulées de lave volcanique, nous détaillons une méthode de réduction par analyse asymptotique des équations de Herschel-Bulkley pour des écoulements de faible épaisseur sur une topographie arbitraire. Elle permet alors de décrire ces écoulements tridimensionnels de fluides viscoplastiques à surface libre par des équations bidimensionnelles surfaciques. Cette approche est ensuite étendue au cas non-isotherme en y ajoutant l'équation de la chaleur et des dépendances thermiques sur la rhéologie. Par intégration verticale de l'équation de la chaleur, on retrouve un modèle bidimensionnel. Le modèle non-isotherme est validé sur une expérience de dôme réalisée en laboratoire et une simulation numérique est réalisée autour d'une coulée qui a eu lieu sur le volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion, en décembre 2010. La comparaison donne des résultats qui sont de notre point de vue satisfaisants et encourageants. / We present a contribution about modeling of viscoplastic flows. For realistic applications such as numerical simulation of volcanic lava flows, the work focuses particularly on complex fluids whose rheology strongly depends on physical quantities such as temperature or the particle concentration. We develop a new numerical resolution algorithm of Herschel-Bulkley's equations combining an augmented Lagrangian method with variable augmentation parameter, a second order characteristic method and an auto-adaptive mesh procedure. On stationary or evolving problems as the lid-driven cavity flow benchmark, it provides an effective solution to ensure both a high numerical accuracy within a reasonable computing time. This algorithm is then extended and adapted to the case of non-isothermal rheological and suspensions. On the numerical simulation of volcanic lava flows, we describe a method of reducing by asymptotic analysis of the Herschel-Bulkley's equations for thin flows on arbitrary topography. It allows to describe the three-dimensional flows of viscoplastic fluid with free surface by bidimensional surface equations. This approach is then extended to the non-isothermal case by adding the heat equation and thermal dependencies on rheology. By vertical integration of the heat equation, a two-dimensional model is maintained . The non-isothermal model is validated on a laboratory experiment of dome and a numerical simulation is performed on a December 2010 Piton de la Fournaise lava flow from La Réunion island. In our view, the comparison gives satisfactory and encouraging results.

This has paper has two main purposes: to analyze the translation of specialized terminology and ways of addressing the reader in a specialized tourist text in Spanish and its Swedish target text. The terminological difficulties on volcanism in the translation concerns the fact that the semantic field on this topic is diversified in the Canary Islands, contrary to the semantic field on volcanoes in Swedish. The theoretical background in this paper gives keys to describing the meaning of words in terms of connotation and denotation and describes how to use semantic components to solve the difficulties of terminology. The theory applied to the difficulties concerning ways of addressing the reader in the source text, explains the relation between the sender and the reader in terms of distance and closenes. The paper shows that the source text is inconsistent in this matter. To solve this task the translator has adopted a homogeneous way of addressing the reader, to achieve a target text loyal to the Swedish speaking reader and to consistency. The translation of tourist texts has been thought of as being an easy task, not demanding too much of its translators. This paper aims at showing that this is not the case.

Fine grained sediment deposition in urban environments during natural hazard events can impact critical infrastructure and properties (urban terrain) leading to reduced social and economic function and potentially adverse public health effects. Therefore, clean-up of the sediments is required to minimise impacts and restore social and economic functionality as soon as possible. The strategies employed to manage and coordinate the clean-up significantly influence the speed, cost and quality of the clean-up operation. Additionally, the physical properties of the fine grained sediment affects the clean-up, transport, storage and future usage of the sediment. The goals of the research are to assess the resources, time and cost required for fine grained sediment clean-up in an urban environment following a disaster and to determine how the geotechnical properties of sediment will affect urban clean-up strategies. The thesis focuses on the impact of fine grained sediment (<1 mm) deposition from three liquefaction events during the Canterbury earthquake sequence (2010-2011) on residential suburbs and transport networks in Christchurch. It also presents how geotechnical properties of the material may affect clean-up strategies and methods by presenting geotechnical analysis of tephra material from the North Island of New Zealand. Finally, lessons for disaster response planning and decision making for clean-up of sediment in urban environments are presented. A series of semi-structured interviews of key stakeholders supported by relevant academic literature and media reports were used to record the clean-up operation coordination and management and to make a preliminary qualification of the Christchurch liquefaction ejecta clean-up (costs breakdown, time, volume, resources, coordination, planning and priorities). Further analysis of the costs and resources involved for better accuracy was required and so the analysis of Christchurch City Council road management database (RAMM) was done. In order to make a transition from general fine sediment clean-up to specific types of fine disaster sediment clean-up, adequate information about the material properties is required as they will define how the material will be handled, transported and stored. Laboratory analysis of young volcanic tephra from the New Zealand’s North Island was performed to identify their geotechnical properties (density, granulometry, plasticity, composition and angle of repose). The major findings of this research were that emergency planning and the use of the coordinated incident management system (CIMS) system during the emergency were important to facilitate rapid clean-up tasking, management of resources and ultimately recovery from widespread and voluminous liquefaction ejecta deposition in eastern Christchurch. A total estimated cost of approximately $NZ 40 million was calculated for the Christchurch City clean-up following the 2010-2011 Canterbury earthquake sequence with a partial cost of $NZ 12 million for the Southern part of the city, where up to 33% (418 km) of the road network was impacted by liquefaction ejecta and required clearing of the material following the 22 February 2011 earthquake. Over 500,000 tonnes of ejecta has been stockpiled at Burwood landfill for all three liquefaction inducing earthquake events. The average cost per kilometre for the event clean-up was $NZ 5,500/km (4 September 2010), $NZ 11,650/km (22 February 2011) and $NZ 11,185/km (13 June 2011). The duration of clean-up time of residential properties and the road network was approximately two to three months for each of the three liquefaction ejecta events; despite events volumes and spatial distribution of ejecta. Interviews and quantitative analysis of RAMM data revealed that the experience and knowledge gained from the Darfield earthquake (4 September 2010) clean-up increased the efficiency of the following Christchurch earthquake induced liquefaction ejecta clean-up events. Density, particle size, particle shape, clay content and moisture content, are the important geotechnical properties that need to be considered when planning for a clean-up method that incorporates collection, transport and disposal or storage. The geotechnical properties for the tephra samples were analysed to increase preparedness and reaction response of potentially affected North Island cities from possible product from the active volcanoes in their region. The geotechnical results from this study show that volcanic tephra could be used in road or construction material but the properties would have to be further investigated for a New Zealand context. Using fresh volcanic material in road, building or flood control construction requires good understanding of the material properties and precaution during design and construction to extra care, but if well planned, it can be economically beneficial.

Η περιοχή Κω – Νισύρου βρίσκεται στο ανατολικότερο άκρο του ενεργού ηφαιστειακού τόξου του νοτίου Αιγαίου, Τεταρτογενούς ηλικίας και περιλαμβάνει τα νησιά Κω και Νίσυρο και τις νησίδες του Γυαλιού, της Στρογγύλης, της Παχειάς και της Πυργούσας. Η ηφαιστειακή δραστηριότητα στη Κω χαρακτηρίζεται από Άνω – Μειοκαινικές ιγκνιμβριτικές (πυρομβριτικές) αποθέσεις και από Πλειοκαινικά – Πλειστοκαινικά ηφαιστειακά προϊόντα όπως τους ηφαιστειακούς δόμους, την πυροκλαστική ακολουθία της Κεφάλου, τους υδρομαγματικούς τόφφους και τον σε μεγάλη έκταση πυροκλαστικό σχηματισμό «τόφφο της Κω» (Kos Plateau Tuff) αποθέσεις του οποίου εντοπίζονται και στα νησιά της Καλύμνου, της Ψερίμου και της Τήλου. Η Νίσυρος είναι ένα στρωματοηφαίστειο δομημένο από Πλειοκαινικά ηφαιστειακά προϊόντα που αποτελούνται κυρίως από ανδεσίτες και βασαλτικούς ανδεσίτες πάνω στους οποίους αποτέθηκαν ασβεσταλκαλικά ηφαιστειακά προϊόντα δακιτικής – ρυοδακιτικής σύστασης με την μορφή πυροκλαστικών αποθέσεων, ροών λάβας και δόμων λάβας. Οι νησίδες του Γυαλιού, της Στρογγύλης, της Παχειάς και της Πυργούσας αποτελούνται από Πλειοκαινικούς δόμους ρυολιθικής (Γυαλί), ανδεσιτικής (Στρογγύλη) και δακιτικής σύστασης (Παχειά και Πυργούσα) οι οποίοι φιλοξενούν πυροκλαστικές αποθέσεις της ανώτερης κίσσηρης του Γυαλιού (Στρογγύλη) και ενότητες του τόφφου της Κω (ΚΡΤ) και της Παναγιάς Κυράς (Παχειά και Πυργούσα). Στη παρούσα διδακτορική διατριβή στόχος είναι η πετρογραφική, ορυκτοχημική και γεωχημική μελέτη των ηφαιστειακών προϊόντων της ευρύτερης περιοχής Κω-Νισύρου και η αποτύπωση ηφαιστειακών δομών και μορφολογικών στοιχείων. Σκοπός είναι η κατανόηση της ηφαιστειακής εξέλιξης με την εξαγωγή συμπερασμάτων που αφορούν τη συγγενετική σχέση των μαγματικών προϊόντων, φαινόμενα μίξης, τους μαγματικούς θαλάμους και την επιφανειακή έκφραση αυτών (καλδέρες). Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε η γεωχημική συγγενετική σχέση του τόφφου της Κω (Kos Plateau Tuff) στην Κω – Κάλυμνο – Τήλο και η γεωχημική διαφοροποίηση των πιο βίαιων και εκρηκτικών μονάδων D και E του ιγκνιμβρίτη της Κω επιβεβαιώνοντας τη στρωματογραφική συσχέτιση των αποθέσεων αυτών όπως έχει παρουσιαστεί από δεδομένα κυρίως φυσικής ηφαιστειολογίας. Από την πετροχημική μελέτη της περιοχής Κω – Νισύρου ως ένα ενιαίο «ηφαιστειακό σύμπλεγμα» προκύπτει ότι η ηφαιστειότητα της περιοχής διαχωρίζεται σε Μειοκαινική με προϊόντα όπως ο μονζονίτης και οι Μειοκαινικοί ιγκνιμβρίτες της Κω και σε Πλειο – Πλειοστοκαινική με ηφαιστειακά προϊόντα όπως οι δόμοι και τα πυροκλαστικά από την Κω, το Γυαλί και την Νίσυρο όπου διαφαίνεται η συγγενετική μαγματική σχέση των πετρωμάτων αυτών. Από τη μέθοδο της Συμβολομετρίας «Nomarski» προκύπτει ότι φαινόμενα μαγματικής μίξης/ανάδευσης είναι αναμφισβήτητα και παρέχουν αποδείξεις ότι τα φαινόμενα αυτά ήταν ενεργά καθ’ όλη την διάρκεια της εξέλιξης του ηφαιστείου της Νισύρου. Με την χρήση υπαίθριων παρατηρήσεων και τηλεπισκοπικών μεθόδων εντοπίστηκαν μορφές καλδερών στην ευρύτερη περιοχή Κω – Νισύρου οι οποίες χαρακτηρίσθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με νέες αντιλήψεις επί της ηφαιστειακής εξέλιξης. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι ηφαιστειακές δομές του ηφαιστείου της Νισύρου με την χρήση της Τηλεπισκόπησης μέσω της φωτοερμηνείας από δορυφορικές εικόνες και ψηφιακά υψομετρικά μοντέλα εδάφους και με την χρήση της γεωμορφομετρικής ανάλυσης συνδυάζοντας γεωμορφο-τεκτονικά χαρακτηριστικά του ηφαιστείου της Νισύρου όπως αυτά παρουσιάζονται από άλλους ερευνητές και νέες αντιλήψεις επί της ηφαιστειακής ανάπτυξη. Επίσης, παρουσιάζεται ένα μοντέλο πρωτο-καλδερικής, καλδερικής και μετα-καλδερικής εξέλιξης του ηφαιστείου της Νισύρου με βάση νέες αντιλήψεις επί της ηφαιστειακής εξέλιξης και σε σχέση με την στρωματογραφική του εξέλιξη. Τέλος, μελετήθηκαν οι υποηφαιστειακοί μαγματικοί θάλαμοι της περιοχής Κω – Νισύρου και τα φαινόμενα μίξης στο ηφαίστειο της Νισύρου με τη μέθοδο της Συμβολομετρίας «Nomarski» και την κατανομή των κύριων στοιχείων, ιχνοστοιχείων και σπανίων γαιών παρουσιάζοντας τον συγγενετικό χαρακτήρα αυτών των κέντρων, ορίζοντας την ευρύτερη ηφαιστειακή περιοχή Κω – Νισύρου ως ένα κύριο ηφαιστειακό κέντρο το οποίο χαρακτηρίζεται από ένα σύνθετο καλδερικό σύστημα. Η αειφορική διαχείριση του ηφαιστείου της Νισύρου είναι το μέσο με το οποίο μπορεί νε συνδυαστεί η ηφαιστειολογική εξέλιξη με την περιβαλλοντική διατήρηση και προβολή της ευρύτερης περιοχής ως γεωτόπου. Από την διερεύνηση της υφιστάμενης κατάστασης του νησιού διαπιστώνεται ότι ενώ η Νίσυρος διαθέτει ένα υψηλό περιβαλλοντικό, ενεργειακό, κοινωνικό, πολιτιστικό και οικονομικό δυναμικό, αυτό παραμένει ανεκμετάλλευτο και αναξιοποίητο λόγω της έλλειψης ενός ολοκληρωμένου σχεδίου αειφορικής διαχείρισης βάση του οποίου θα λαμβάνονται οι αποφάσεις ισότιμα, ισοδύναμα, ταυτόχρονα και αρμονικά. Με βάση την μελέτη των υδατικών πόρων, την καταγραφή του ενεργειακού δυναμικού από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, την διαχείριση του φυσικού και δομημένου περιβάλλοντος του ηφαιστείου της Νισύρου, την μελέτη των επιπτώσεων, θετικών και αρνητικών, της ύπαρξης εξορυκτικής βιομηχανίας στην περιοχή προτάθηκε ένα ολοκληρωμένο σχέδιο αειφόρου ανάπτυξης, προσαρμοσμένο στις απόψεις και τοποθετήσεις, της άμεσα ενδιαφερόμενης, τοπικής κοινωνίας. Από αυτό το ολοκληρωμένο σχέδιο προκύπτουν προτάσεις για την ολοκληρωμένη διαχείριση του ηφαιστείου της Νισύρου οι οποίες ικανοποιούν ισότιμα, ισοδύναμα, ταυτόχρονα και αρμονικά τις αρχές της αειφόρου ανάπτυξης στοχεύοντας στον επαναπροσανατολισμό της τοπικής οικονομίας, την διαχείριση του φυσικού και δομημένου περιβάλλοντος και την κοινωνική ανάπτυξη. / The Kos - Nisyros study area is located at the easternmost edge of the active Quaternary volcanic arc of the southern Aegean Sea and includes the islands of Kos and Nisyros and the islets of Gyali, Strongyli, Pachia and Pyrgoussa. The volcanic activity of Kos island is characterized by Upper – Miocene ignimbrite deposits and Pliocene - Pleistocene volcanic products such as volcanic domes, the Kefalos pyroclastic sequence of hydromagmatic tuffs and the large-scale pyroclastic formation Kos Plateau Tuff (KPT) deposits which is also found on the Kalymnos, Pserimos and Tilos islands. Nisyros is a calcalkaline stratovolcano which consists of Pliocene volcanic products such as andesite and basaltic andesite lavas that are overlain by pyroclastic deposits, lava flows and lava domes of dacitic – rhyodacitic composition. The islets of Gyali, Strongyli, Pachia and Pyrgoussa represent Pliocene lava domes of rhyolitic (Gyali), andesitic (Strogyli) and dacitic composition (Pachia and Pyrgoussa) On these domes, pyroclastic deposits of the Upper Pumice unit of Gyali (in Strogyli) and pyroclastic deposits of the Kos Plateau Tuff (KPT) and Panayia Kyra formation (in Pachia and Pyrgoussa) have been identified. In this thesis, the volcanic products of the Kos-Nisyros area are examined using mineral chemistry, geochemical and petrographical methods, while volcanic structures and morphological features are identified and mapped using remote sensing techniques. The aim of this thesis is to understand the volcanic evolution of the study area, by drawing conclusions regarding the consanguineous relationship of the magmatic products, magma mixing phenomena and the magma chamber system of the area, as well as, the surface expression of this magma chamber system in the form of caldera structures. For this purpose, in this thesis, it is investigated the consanguineous relationship of the Kos Tuff (Kos Plateau Tuff) found on Kos, Tilos and Kalymnos islands, as well as, the geochemical differentiation of the most violent and explosive ignimbrite units D and E of the Kos Tuff, confirming the stratigraphic correlation of these deposits as it was previously presented by physical volcanology data. The petrochemical study of the Kos - Nisyros area as a single "volcanic complex" reveals that the volcanism of the study area is divided into a Miocene and a Pliocene – Pleistocene activity. The Miocene activity is characterized by magmatic and volcanic products such as the monzonite of Kos and the Miocene ignimbrites of Kos and the Pliocene – Pleistocene volcanic activity consists of volcanic products such as lava domes and pyroclastic deposits from Kos, Gyali and Nisyros volcanoes where it is revealed the consanguineous magmatic relationship of these Pliocene – Pleistocene products. Using “Nomarski” interferometry method it is revealed that magma mixing/mingling phenomena are unquestionable for the magma chamber system of Nisyros and provide evidence that these phenomena were active throughout the volcanic evolution of Nisyros volcano. Field observations and remote sensing methods revealed caldera structures in the Kos - Nisyros area which are identified and classified according to new perceptions regarding the volcanic evolution. The volcanic structures of Nisyros volcano are examined using remote sensing methods such as satellite image and digital elevation models interpretation, as well as, the geomorphometric analysis of the Nisyros terrain in combination with geomorphotectonic features of the volcano as presented by other researchers and new perceptions on the volcanic evolution. It is also presented a model of proto-caldera, caldera and post-caldera evolution of Nisyros volcano based on new perceptions on the volcanic evolution in relation to the stratigraphic evolution. Finally, it is studied the subvolcanic magma chamber system of the Kos - Nisyros area, as well as, mixing phenomena in the volcano of Nisyros using the “Nomarski” interferometry method and the distribution of major, trace and rare earth elements revealing the consanguineous nature of these volcanic centers by providing the widest volcanic area of Kos - Nisyros as a major volcanic center characterized by a complex caldera system. Sustainable development of Nisyros volcano represents a management tool which combines the volcanic evolution with the environmental preservation and can promote volcanic regions as geotopes. The investigation of the present conditions of the island reveals, despite the fact that Nisyros is characterized by a strong environmental, energy, social, cultural and economic potential, it remains undeveloped and unexploited due to lack of an integrated sustainable development management plan, based on which, decisions should be equal, equivalent simultaneously and in harmony. Based on the study of the Nisyros water resources, the energy potential from renewable energy sources, the management of natural and urban environment of the volcano of Nisyros and the study of the positive and/or negative effects of the mining industry in Gyali volcanic islet it is proposed an integrated sustainable development according to the views and the perspectives of the local community. From this intergraded plan are generated recommendations for an integrated management of the volcano of Nisyros which satisfy equal, equivalent, simultaneously and in harmony the principles of sustainable development aiming to refocus the local economy, the management of natural and urban environment and the social development.

L’érosion des édifices volcaniques résulte d’une série de processus géomorphologiques qui se produisent pendant, avant ou sans éruption. Ce processus implique également le terme « lahar » qui décrit un écoulement rapide de la zone sommitale vers l’aval amenant des matériaux volcaniques mélangés à de l’eau avec une évolution de la dynamique d’écoulement dans l’espace et dans le temps. L’érosion des édifices volcaniques est encore mal connue, particulièrement en raison de la difficulté d’acquisition de données sur le terrain. Pourtant, les lahars ont causé à eux seuls au moins 44 250 morts de 1600 à 2010 dont 52 % à cause d’un seul évènement en 1985 (Nevado del Ruiz, Colombie). Cette étude propose une approche multiscalaire pour mieux comprendre la nature de l’érosion des édifices volcaniques sur le déclenchement et la dynamique des lahars. L’éruption du volcan Merapi (Indonésie) en2010 fut l’occasion de produire de nouvelles données de terrain. La première partie de la thèse, relative au déclenchement des lahars, repose sur des données de terrain et des expérimentations en laboratoire. Le travail de terrain avait pour but de comparer un bassin versant bouleversé par l’éruption de 2010 et un autre bassin versant non bouleversé, par le biais d’observations in-situ et d’instrumentation de terrain. En laboratoire, l’approche expérimentale fut réalisée en utilisant 8 scénarios différents sur un plan incliné. La deuxième partie, liée à la dynamique des lahars en mouvement, fut étudiée à partir du couplage vidéo signaux sismiques. Les dépôts liés à ces lahars furent également analysés et mis en regard de la chronologie des écoulements. Trois ans après l’éruption du Merapi en 2010, les lahars se sont raréfiés. Cependant, les dépôts de cendres juvéniles issues d’une autre éruption d’un volcan voisin (Kelud à Java Est) eurent comme résultat une augmentation significative du nombre de lahars à partir de février 2014. Le déclenchement des lahars fut également favorisé par des glissements de terrain connectés aux thalwegs, comme celui produit dans la nuit du 6 au 7 décembre 2012, que nous avons étudié en détail. La dynamique des deux lahars observés et filmés les 28 février et 18 mars 2014 fut divisée en 4 phases : (1) écoulement hyperconcentré, (2) pic de coulée de débris, (3) corps du lahar, (4) queue du lahar. L’analyse vidéo et l’observation in-situ sur les lahars en mouvement a permis de créer des hydrogrammes détaillés indiquant la profondeur, la vitesse, le débit et le nombre des blocs métriques flottés. La dynamique des lahars sur les différentes topographies du chenal a provoqué une fréquence sismique très différente. La formation des dépôts de lahars fut corrélée à la dynamique des écoulements et nécessita une observation in-situ pour la validation d’interprétation. / The erosion of volcanic edifices is a series of geomorphological processes that occurs during, before or without eruption. This process also involves the term "lahar" which is characterized by dense mixtures of volcanic materials and water, rapidly flowing from a volcano with important spatio-temporal rheological changes. The erosion of volcanic edifices is still poorly understood, particularly because data collection in the field is difficult. However, lahars have caused at least 44,250 deaths from 1600 to 2010 of which 52%due to a single event in 1985 (Nevado del Ruiz, Colombia).This study proposes a multi-scalar approach to better understand the nature of the erosion of volcanic edifices, especially on lahar initiation process and dynamics. The eruption of the Merapi volcano(Indonesia) in 2010 was an opportunity to produce new data. The first part of this thesis focused on the lahar initiation process, was based on field data and laboratory experiments. The field work was intended to compare a volcanically disturbed watershed by the eruption of 2010 and an undisturbed watershed, by conducting in-situ observations and field instrumentation. In the laboratory, an experimental approach was performed using 8 different scenarios on a flume. The second part of the thesis related to the dynamics of two lahars in motion was conducted using coupling between video footage and seismic signal. Lahar deposits were also analyzed based on the chronology of the flows. Three years after the eruption of Merapi in 2010, the frequency of lahar occurrence decreased. However, juvenile ash fall deposits (volcanic ash) from another eruption of a nearby volcano (Kelud in East Java) in February 2014 resulted a significant increase of lahars occurrence. Lahars triggering process was also favored by a landslides occurring in the night of 6 to 7 December 2012, of which the deposit was connected to the thalweg. The dynamics of the two lahars were observed and filmed on 28 February and18 March 2014. Those lahars were divided into four phases: (1) hyperconcentrated flow, (2) the peak of debris flow, (3) lahar body, and (4) lahar tail. Video analysis and in-situ observation on active lahars allowed us to create detailed hydrographs indicating flow depth, velocity, discharge and the number of floated boulders. Lahar dynamics on different topography of the channel caused a very different seismic frequency. The formation of lahar deposits was correlated with the flow dynamics and required an in-situ observation for the validation of the interpretation. / Erosi kerucut vulkanik merupakan hasil dari serangkaian proses geomorfologi yang terjadi baik selama,sebelum atau tanpa erupsi. Proses ini juga melibatkan "lahar" yang didefinisikan sebagai aliran cepat daridaerah puncak gunung menuju hilir dengan membawa material vulkanik yang bercampur dengan airdimana dinamika alirannya terus berubah secara spasial dan temporal. Erosi struktur vulkanik masihsedikit ditelaah, terutama karena sulitnya pengumpulan data di lapangan. Padahal, lahar telahmenyebabkan setidaknya 44.250 kematian dari tahun 1600 sampai 2010, dimana 52% -nya terkait denganbencana pada tahun 1985 di gunung Nevado del Ruiz (Kolombia).Penelitian ini mengusulkan pendekatan multi-skalar untuk lebih memahami karakteristik erosi kerucutvulkanik terutama yang terkait dengan pemicu dan dinamika aliran lahar. Letusan Gunung Merapi(Indonesia) pada tahun 2010 memberikan kesempatan untuk menghasilkan data lapangan baru. Bagianpertama dari disertasi ini, mengenai pemicu lahar, dilakukan berdasarkan data lapangan dan experimenlaboratorium. Kegiatan lapangan dimaksudkan untuk membandingkan DAS yang terdampak oleh letusan2010 dan DAS alami, melalui pengamatan in-situ dan instrumentasi lapangan. Di laboratorium,pendekatan eksperimental dilakukan dengan menggunakan 8 skenario yang berbeda pada flume. Bagiankedua dari disertasi ini berkaitan dengan dinamika aliran lahar aktif yang dipelajari dari perpaduanrekaman video dan sinyal seismik. Proses sedimentasi juga dianalisis dengan dipertimbangkan kronologialiran lahar.Tiga tahun setelah letusan Merapi pada tahun 2010, frekuensi kejadian lahar berkurang. Namun,sedimentasi abu vulkanik yang berasal dari gunung api lain (Kelud di Jawa Timur) telah mengakibatkanpeningkatan jumlah lahar yang signifikan sejak Februari 2014. Pembentukan lahar juga dipicu oleh tanahlongsor yang terjadi pada pada malam 6 menuju 7 Desember 2012 dimana materialnya terhubunglangsung ke thalweg. Dinamika dua aliran lahar diamati dan difilmkan pada tanggal 28 Februari dan 18Maret 2014. Lahar tersebut dibagi menjadi empat fase: (1) aliran hyperconcentrated, (2) puncak alirandebris, (3) tubuh lahar, (4) ekor lahar. Analisis video dan pengamatan in-situ pada lahar aktif sangatmembantu pembuatan hidrograf secara rinci terkait dengan kedalaman aliran, kecepatan, debit dan jumlahbatu yang terapung. Dinamika lahar pada topografi sungai yang berbeda menimbulkan frekuensi seismikyang sangat berbeda. Proses sedimentasi lahar sangat berkaitan dengan dinamika aliran lahar dandiperlukan pengamatan in-situ untuk memvalidasi interpretasi yang dibuat. / La erosión de los edificios volcánicos es el resultado de una serie de procesos geomorfológicos que ocurre durante, antes o sin erupción. Este proceso también involucra el término "lahar", un flujo rápido de la cumbre de volcán hacia el rio que contiene una mezcla de materiales volcánicos y agua con cambio espacial y temporal. La erosión de los edificios volcánicos aún es poco estudiado debido a las dificultades para la obtención de los datos en el campo y además es peligroso. Mientras, los lahares han causado 44 250 muertos desde 1600 a 2010, en el cual de 52% ha sido causado por un evento único en 1985 (Nevado del Ruiz, Colombia). Esta investigación propone un acercamiento multiescalar para entender mejor las características de erosión de los edificios volcánicos, en particular el proceso de descenso y la dinámica de lahares. La erupción del volcán Merapi (Indonesia) en 2010 fue una oportunidad para generar nuevos datos. La primera parte de esta tesis enfocada al proceso de iniciación de descenso de lahares, que fue basada en la obtención de los datos de campo y experimentos en el laboratorio. El trabajo de campo fue realizado con el objetivo de comparar una cuenca hidrográfica afectada por la erupción de 2010 y una otra cuenca natural, a través de la observación in-situ y la instrumentación geofísica en el campo. En el laboratorio, el trabajo fue realizado con 8 escenarios diferentes usando un canal artificial. La segunda parte de esta tesis fue relacionada a la dinámica de movimiento de lahares que se realizó a través del acoplamiento de vídeos y señales sísmicas. Se analizó también el proceso de sedimentación basado en la cronología de los flujos de lahares. Tres años después de la erupción del Merapi en 2010, la frecuencia de ocurrencia de lahares se disminuye. Sin embargo, la sedimentación de ceniza volcánica de otra erupción de un volcán cercano (Kelud en Java Oriental) causó un aumento significativo de la ocurrencia de lahares desde febrero de 2014. La formación de lahares también se provocó por deslizamiento de tierra que se ocurrió en la noche de 6 a 7 de diciembre de 2012, en la que los materiales se juntaron directamente a la vaguada. La dinámica de dos flujos de lahares fue observada y grabada en video el 28 de febrero y 18 de marzo 2014. Estos dos lahares se dividieron en cuatro fases: (1) flujo hiperconcentrado, (2) el pico de flujo de escombros, (3) cuerpo de lahar, (4) cola de lahar. El análisis de video y la observación in-situ de lahares activos nos han ayudado a crear los hidrogramas en detalle que muestran la profundidad del flujo, la velocidad, la descarga y el número de rocas flotadas. La dinámica de lahares en diferentes topografías del canal causó una frecuencia sísmica muy diferente. El proceso de sedimentación de lahares se correlacionó con la dinámica de flujo y se requiere una observación in-situ para validar la interpretación.

Nous présentons une contribution autour de la modélisation des écoulements viscoplastiques. En vue d'applications réalistes telle que la simulation numérique des coulées de lave volcanique, le travail se concentre particulièrement sur les fluides complexes dont la rhéologie dépend fortement de grandeurs physiques telle que la température ou la concentration en particule. Nous développons un nouvel algorithme de résolution numérique des équations de Herschel-Bulkley combinant une méthode de Lagrangien augmenté à paramètre d'augmentation variable, une méthode des caractéristiques d'ordre 2 et une adaptation de maillage automatique. Sur des problèmes stationnaires ou en évolution tel que le problème test de la cavité entraînée, il apporte une solution efficace pour garantir à la fois une précision numérique élevée et un temps de calcul raisonnable. Cet algorithme est ensuite étendue et adapté au cas des rhéologies non-isothermes et aux suspensions. Concernant la simulation numérique des coulées de lave volcanique, nous détaillons une méthode de réduction par analyse asymptotique des équations de Herschel-Bulkley pour des écoulements de faible épaisseur sur une topographie arbitraire. Elle permet alors de décrire ces écoulements tridimensionnels de fluides viscoplastiques à surface libre par des équations bidimensionnelles surfaciques. Cette approche est ensuite étendue au cas non-isotherme en y ajoutant l'équation de la chaleur et des dépendances thermiques sur la rhéologie. Par intégration verticale de l'équation de la chaleur, on retrouve un modèle bidimensionnel. Le modèle non-isotherme est validé sur une expérience de dôme réalisée en laboratoire et une simulation numérique est réalisée autour d'une coulée qui a eu lieu sur le volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion, en décembre 2010. La comparaison donne des résultats qui sont de notre point de vue satisfaisants et encourageants. / We present a contribution about modeling of viscoplastic flows. For realistic applications such as numerical simulation of volcanic lava flows, the work focuses particularly on complex fluids whose rheology strongly depends on physical quantities such as temperature or the particle concentration. We develop a new numerical resolution algorithm of Herschel-Bulkley's equations combining an augmented Lagrangian method with variable augmentation parameter, a second order characteristic method and an auto-adaptive mesh procedure. On stationary or evolving problems as the lid-driven cavity flow benchmark, it provides an effective solution to ensure both a high numerical accuracy within a reasonable computing time. This algorithm is then extended and adapted to the case of non-isothermal rheological and suspensions. On the numerical simulation of volcanic lava flows, we describe a method of reducing by asymptotic analysis of the Herschel-Bulkley's equations for thin flows on arbitrary topography. It allows to describe the three-dimensional flows of viscoplastic fluid with free surface by bidimensional surface equations. This approach is then extended to the non-isothermal case by adding the heat equation and thermal dependencies on rheology. By vertical integration of the heat equation, a two-dimensional model is maintained . The non-isothermal model is validated on a laboratory experiment of dome and a numerical simulation is performed on a December 2010 Piton de la Fournaise lava flow from La Réunion island. In our view, the comparison gives satisfactory and encouraging results.

Des observations macroscopiques et microscopiques sur les plantes actuelles et fossiles ont été effectuées. Sur les plantes actuelles ont été effectué des observations relativement aux effets des gaz volcaniques sur l’ultrastructure des cuticules de Pinus halepensis et de Erica arborea récoltés dans l’aire volcanique des Campi Flegrei, Italie. Les observations conduites au TEM sur les cuticules de P. halepensis, influencé et non influencé par les gaz volcaniques, ont montré que : 1) l'épaisseur totale de la CM (cuticule) + CW (paroi pectocellulosique) ne subit pas de variations significatives d'épaisseur ; 2) la cuticule des aiguilles influencée par les gaz volcaniques montre une accumulation d’oxalate de calcium ainsi que 3) un réarrangement des fibrilles disposées parallèlement à la surface. Les observations conduites sur E. arborea ont permis de 1) constater que les épaisseurs totales des cuticules, influencées ou non par les gaz, sont significativement différentes ; 2) en présence de gaz volcaniques la couche externe A2 subit un accroissement d’épaisseur significatif. Par rapport aux macro-restes végétaux fossiles, les localités du Crétacé de Cusano Mutri et Pietraroja ont été étudiées. Le première site fossilifère a permis 1) d’identifier plusieurs taxa appartenant aux conifères; 2) de décrire une nouvelle espèce de conifère: Frenelopsis cusanensis; 3) de trouver l’angiosperme ancestrale Montsechia vidalii. L’étude taxonomique a permis de décrire des entités typiques de la Province Euro-Sinienne. L’étude sédimentologique et systématique montre un climat plutôt tropical-subtropical, des abondants fusains montrant des incendies naturels. / Macroscopical and microscopical observations on extant and fossil plants have been made. Observations on extant plants led to study the effects of volcanic gases on the cuticle ultrastructure of Pinus halepensis and Erica arborea sampled in the volcanic area of Phlegrean Italy. TEM observations on P. halepensis cuticles fumigated or not by volcanic gases revealed: 1) insignificant thickness variations of the cell wall plus cuticle among current- and first-year-old needles of both fumigated and not fumigated trees; 2) a calcium oxalate accumulation in fumigated leaves; 3) moreover, in respect to the cell surface, fibrils are disposed parallel to the surface of the cuticle. In specimens of E. arborea fumigated or not by volcanic gases, 1) the total thickness of cuticles varies significantly; 2) in plants experiencing chronic fumigation the A2 layer increases its thickness. As for fossil plants, the cuticles of Cretaceous Fossil-Lagertätten of Cusano Mutri and Pietraroja have been studied. In the former: 1) numerous taxa belonging to conifers have been identified; 2) the new species Frenelopsis cusanensis has been described; 3) Montsechia vidalii has been found outside of Spain. Taxonomical studies allowed the description of typical Euro-Sinian fossil plants. Sedimentological and taxonomical studies suggest semi-arid or arid conditions in a subtropical or tropical climate. It is worth noting as for Cusano Mutri locality, evidence of wildfire (fusain) suggests a periodic combination of arid periods, high temperatures and lightning strikes.

Dans cette étude, nous cherchons à dresser le bilan de l’altération à l’échelle de l’île de Mayotte (en surface et en souterrain), à contraindre l’impact des facteurs de contrôle dominant l’altération, puis à caractériser les processus impliqués dans les fractionnements des isotopes du silicium à l’échelle du profil d’altération.Deux campagnes d’échantillonnage incluant des eaux de rivières et des eaux souterraines ont été réalisées en saison humide et sèche, complétées par le prélèvement mensuel de 5 rivières. La prise en compte des crues (3 % de l’année) dans le calcul des taux d’altération moyens annuels en rivière a entraîné une augmentation de ≈32 % du bilan annuel. Le taux d’altération chimique global de l’île de Mayotte s’élève à 94 t/km²/an (81 t/km²/an en surface & 131 t/km²/an en souterrain). Nos résultats mettent en avant le rôle prépondérant des écoulements souterrains dans le transport de matériel dissous directement à l’océan. La contribution du domaine souterrain au bilan de l’altération diminue avec l’âge des formations, soulignant l’implication de l’âge des roches du bassin versant comme paramètre clé dans le contrôle des taux d’altération.Les isotopes du Si ont été analysés sur des roches totales le long de profils d’altération associés à différentes conditions d'altération du régolite : météorique (basse température) ou hydrothermale (haute température). À l’échelle du profil, les deux types de régimes ont montré un appauvrissement en 30Si en fonction du degré d’altération. À l’échelle du minéral, le fractionnement des isotopes du Si s’est révélé plus négatif pendant la précipitation de kaolinite secondaire à haute température qu’à basse température. / In this study, we seek to establish the weathering budget at the scale of the island of Mayotte (rivers and groundwater), to constrain the impact of dominant control factors to the weathering both locally and at a global scale, and then to characterize the processes involved in the fractionation of silicon isotopes across the weathering profile.Two field campaigns, in order to sample river water and groundwater, were carried out during wet and dry season, supplemented by the monthly monitoring of 5 rivers. By taking account of river floods (3% of the year) in the calculation of average annual weathering rates in the river has increased the annual weathering budget by ≈32%. The overall rate of Mayotte Island chemical weathering is 94 t/km²/yr (81 t/km²/yr from surface & 131 t/km²/yr from underground). Our results highlight the important role of groundwater flow to the dissolved material export directly to the ocean. The contribution of groundwater to the weathering budget decreases with the age of the geological formations, highlighting the involvement of the age of the rocks of the watershed as a key parameter in the weathering rates control.Si isotopes were analyzed for whole rock along two weathering profiles associated with different alteration conditions of the regolith: meteoric (low temperature) or hydrothermal (high temperature). At the weathering profile scale, the two types of alteration regimes showed 30Si depletion as a function of the degree of weathering. At the mineral scale, Si isotope fractionation was more negative during the secondary kaolinite precipitation at high temperatures than at low temperatures.