Le dioxyde de soufre (SO2) est un des principaux gaz émis lors des éruptions volcaniques. Au Piton de la Fournaise (La Réunion) environ 230 kT de SO2 ont été libérés pour la seule éruption d'avril 2007. Ces émissions ont provoqué d'importants problèmes sanitaires associés à des dégradations des infrastructures et des écosystèmes. Les mesures de SO2 réalisées par l'ORA ont relevé des concentrations supérieures aux seuils critiques pour la santé mais pas aux périodes où l'éruption était la plus intense. SO2 étude consiste à utiliser le modèle meso-échelle atmosphérique Meso-NH pour simuler le transport de SO2 entre le 2 et le 7 avril, avec une attention portée sur l'influence des flux de chaleur provenant des coulées de lave. Trois domaines sont imbriqués de 2 km à 100m de résolution horizontale. Cette étude de modélisation couple simultanément (i) la dynamique atmosphérique de méso-échelle Meso-NH, (ii) un module de chimie en phase gazeuse et phase aqueuse, et (iii) un modèle de surface simulant une propagation de coulée de lave. Tous les flux (chaleur, vapeur, SO2, CO2 et HCl) sont déclenchés en ligne et sont fonction de la dynamique du front de propagation. Nos simulations reproduisent les observations des concentrations en surface de SO2 pour cette période et diverses analyses de sensibilité montrent que la distribution de soufre a été principalement contrôlée par le flux de chaleur de lave. Les dernières simulations incluent la modélisation du panache de vapeur d'eau lors de l'entrée de la lave en mer. Enfin, deux tests de sensibilités ont été réalisés sur la journée du 5 avril afin d'analyser les interactions dynamiques entre les différentes convections : au cratère et au-dessus de la lave (flux de chaleur sensible) et lors de l'entrée de la lave en mer (flux de chaleur latente). / Sulphur dioxide (SO2) is one of the main gases emitted during volcanic eruptions. The Reunion Island experienced its biggest eruption of Piton de la Fournaise Volcano during April 2007 and this event degassed more than 230 kt of SO2. Theses emissions led to important health issues, accompanied by environmental and infrastructure degradations. SO2 measurements made by the ORA noted higher concentrations than the critical threshold for health but not to periods when the eruption was the most intense. Our study is to use the atmospheric mesoscale model Meso-NH to simulate the transport of SO2 between 2 and 7April, with a focus on the influence of heat flow from lava flows. Three domains are nested from 2km to 100m of horizontal resolution. This modeling study torque simultaneously (i) atmospheric dynamics of mesoscale Meso-NH, (ii) a chemistry module in the gas phase and aqueous phase, and (iii) a surface model simulating a lava flow spread. All flow (heat,vapor, SO2, CO2 and HCl) are triggered online and are function of the dynamics of thepropagation front. Our simulations reproduce the observations of surface concentrations of SO2 for that period and various sensitivity analyzes show that the sulfur distribution was mainly controlled by the lava heat flow. The latest simulations include the modeling of the Laze plume when the lava meet the sea. Finally, two sensitivity tests were performed on the day of April 5 to analyze the dynamic interactions between convections: the crater andover the lava (sensible heat flux) and at the entry of lava into the sea (latent heat flux).

Le Misti et l'Ubinas sont deux volcans actifs de la Zone Volcanique Centrale des Andes du Sud du Pérou. Le Misti est situé au front de l'arc volcanique plio-quaternairee, tandis que l'Ubinas se trouve à l'arrière de cet arc (~40 km à l'Est). L'étude minéralogique et géochimique (éléments majeurs, traces et isotopes de Sr, Nd et o) des produits récents émis par ces volcans (<112 ka au Misti, <370 ka à l'Ubinas) montre que le Misti a émis principalement des andésites et quelques dacites, alors que des rhyolites ont été émises exceptionnellement entre 31 et 34 ka. L'Ubinas posséde une diversité compositionnelle plus grande que le Misti, notamment lors du dernier millénaire (des andésites basiques aux dacites). Les magmas de ces volcans résultent de la fusion partielle du manteau métasomatisé par des fluides aqueux issus de la déshydratation de la plaque plongeante. Compte tenu de la localisation de ces édifices par rapport à la fosse , la quantité de fluides issus de ce mécanisme serait plus élevée au Misti, situé plus près de la fosse, qu'à l'Ubinas; Ceci suggère que les taux de fusion partielle sont légérement plus forts au Misti qu'à l'Ubinas, ce qui d'accorde avec la production magmatique plus élevée du Misti ainsi qu'avec la richesse en éléments incompatibles 'LILE) des magmas de l'Ubinas.L'evolution des magmas du Misti et de l'Ubinas est principalement contrôlée par des processus d'assimilation-cristallisation fractionnée (AFC) dans des réservoirs superficiels dont le contaminant est le Massif d'Arequipa. Ainsi l'évolution des lignées magmatiques se produit avec des taux de contamination <-14% au Misti (acec une contamination majeure entre 31 et 34 ka) et <-8% à l'Ubinas. Les roches de ces deux volcans sont légérement appauvries en HREE et Y par rapport aux magmas calco-alcalins classiques d'arc. Ceci suggère que les magmas primaires ont assimilé des produits issus de la fusion partielle de la base de la croûte continentale, contenant du grenat (+- amphibole dans leur résidus de fusion

Les cendres volcaniques issues des différents mécanismes de fragmentation ont diverses textures et morphologies externes. Chaque particule de cendre peut donner des informations sur son propre environnement et sur les mécanismes de formation. On peut définir un régime de fragmentation et la quantité de l'eau qui participe au processus de fragmentation. Actuellement, les cendres volcaniques ont surtout fait l'objet d'approches qualitatives. En effet, la complexité et la variabilité des formes des particules volcaniques rendent l'approche quantitative difficile et la caractérisation numérique des textures de surface des cendres volcaniques, en raison de sa complexité, est encore mal définie. Des descriptions de surface simples et bien définies sont présentées dans cette étude. On se base sur le fait que la variation de niveau de gris est liée à la variation de rugosité de la surface. Ici, des valeurs de niveau de gris ont été employées sous une forme correspondant aux valeurs z vertical sur la surface. Les inconvénients et les avantages de la simplicité de la méthode sont discutés. Sept paramètres de rugosité (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), trois paramètres de quadtree (nQT, mQT, sQT) et dimension de fractale sur des surfaces de cendres sont mesurés. Une analyse de gradient basée sur des opérateurs de Sobel a été exécutée et des parcelles de terrain polaires ont été produites, sur la base de la fréquence des gradients. Différents paramètres de forme, tels que le facteur de forme, la compacité, l'arrondi, l'allongement, la solidité, la convexité et les dimensions de fractale sont calculés sur les parcelles de terrain polaires. Des échantillons provenant de l'activité variée de 5 volcans ont été choisis pour l'analyse 2D : Nemrut, Erciyes (Turquie), Galunggung (Indonésie), Villarica (Chili), Miyakejima (Japon). Cependant, des images tridimensionnelles permettent à différents dispositifs morphologiques d'être mieux interprétés et mesurés. En conséquence, des coupes de particules, la stéréoscopie et le meulage commandé ont été employés pour acquérir une reconstruction 3D. Des paramètres externes sont calculés sur les surfaces 3D des particules des cendres du volcan Villarica. Les paramètres externes sont employés pour regrouper les différents types de particules selon leurs mécanismes de framentation et en particulier pour séparer les changements de styles en cours d'éruptions, liés au rapport eau/magma. Les paramètres de morphologie de surface optima ont été déterminés à l'aide des corrélations entre les paramètres de surfaces qualitatif, la porosité, l'abondance des xénolithes, les rapports de masse eau-magma (R) et des paramètres de surfaces quantitatifs. On admet que Ra et Rq sont des paramètres de rugosité sensibles à la micro-rugosité (par exemple à la poussière fine) tandis que d'autres paramètres de rugosité, Rsk et Rku, mesurent la macro-rugosité liée aux cavités de surface (vésicules). En effet, le paramètre de quadtree nQT, la dimension de fractale des surfaces et la solidité des parcelles de terrain polaires ont aussi la même réponse à la micro-rugosité, semblable à Ra et Rq. En raison de l'intérêt croissant pour les propriétés externes de matériaux normaux, les paramètres des surfaces proposés dans cette étude peuvent être appliqués aux surfaces de divers matériaux normaux

Dans l'objectif d'évaluer l'influence de la forêt sur l'hydrologie des bassins versant, une méthode de modélisation du bilan hydrique en milieu forestier a été développée et validée sur l'hydrosystème de Volvic. Cette méthode, facilement transposable, a permis de simuler l'impact hydrologique de scénarios de gestion forestière.La compréhension du fonctionnement de l'hydrosystème volcanique complexe de Volvic a été améliorée, depuis les processus de recharge jusqu'au fonctionnement des exutoires. La structure géologique complexe du site a été modélisée en utilisant l'ensemble des données disponibles et en mettant en œuvre une approche géologique génétique. Le fonctionnement hydrogéologique détaillé a ensuite pu être étudié dans plusieurs secteurs clés. L'hydrosystème de Volvic a été modélisé en utilisant le code MODCOU. Afin de prendre en compte les processus physiques spécifiques du site, des modules ont été développés et couplés à l'outil existant. Le modèle permet ainsi de simuler le débit à l'exutoire de l'aquifère. La modélisation et l'interprétation de données ont également permis de proposer un nouveau modèle conceptuel de fonctionnement hydrogéologique. La simulation du transport de traceurs tels que le chlorure et le 18O valide la fonction de transfert et les hypothèses retenues quant aux processus de recharge. Le modèle a ensuite été utilisé pour simuler des scénarios d'évolution climatique contrastés.Le modèle de fonctionnement l'hydrosystème de Volvic constitue ainsi un outil de gestion opérationnelle mais surtout un outil pilote permettant d'apporter des réponses à des questions scientifiques d'actualité relatives au rôle hydrologique de la forêt ou à l'impact du changement climatique à l'échelle de petits bassins versants de moyenne montagne. / In order to take account of hydrological forest role at the catchment scale, a method for evapotranspiration computation in forest context has been developed and validated on the Volvic site. This method, easily transposable, allows simulating forest management scenarios impact on hydrosystems recharge.Functioning understanding of the Volvic volcanic hydrosystem has been improved, from recharge processes to outlet functioning. The complex geological structure of the Volvic site has been modeled based on data interpretations and using a geological genetic approach. Detailed hydrogeological functioning was studied in several key sectors. The hydrogeological functioning of the Volvic hydrosystem has been modeled using the MODCOU code. In order to take account of the physical processes observed in Volvic, several modeling units has been developed and coupled to the existing tool. This model allows simulating the Volvic outlet discharge since 1985. This modeling allows suggesting a new conceptualization of hydrogeological functioning. The conservative transport modeling (chloride, 18O) validates the transfer function modeling and the evaluated altitudinal variation of climatic parameters. Then contrasted climate change scenarios were simulated.The Volvic hydrosystem functioning model constitutes an operational tool but also a pilot contributing to scientific progress in forest hydrology or in order to evaluate climate change impact on small mountainous watershed.

Pendant une éruption volcanique sur des sommets englacés, des coulées de débris syn-eruptifs,dénommées lahars, peuvent être générées par la fonte partiale de glaciers. Ce phénomène estbien connu sur le volcan Cotopaxi, Equateur. La présente étude concerne trois vallées et un cônede déjection sur le flanc sud-ouest de ce volcan. Une première analyse a été conduite par relevésde formes géomorphologiques dans ces vallées qui témoignent des processus d’érosion et desédimentation lors du passage de lahars dans le passé, notamment ceux du dernier événementéruptif datant de 1877 AD. Bien que les types des formes géomorphologiques déterminées sontles mêmes, leur distribution spatiale varie d’une vallée à l’autre en fonction d’une interaction deparamètres morphologiques locaux. Les conditions environnementales individuelles déterminentégalement le volume de l’écoulement, paramètre crucial dans la délimitation de zones de risques delahars dans les plaines adjacentes. Pour cela, une deuxième étude a été menée à grande échelle surle cône de déjection à l’exutoire de la vallée la plus au Sud des trois. Une analyse intégrale de la morphologiede surface et des affleurements naturels a été complétée par des données stratigraphiquesde subsurface obtenues via un sondage avec un Géoradar. Reconstituer l’architecture sédimentairede ce cône permet de visualiser la distribution spatiale de formes érosives et de dépôts. L’étude àrévélé que différentes parties du cône sont actives à des moments distincts et les épaisseurs dedépôts de lahars sont variables en fonction du type d’écoulement et de son volume. Ceci permetde relier les dynamiques géomorphologiques des plaines alluviales aux zones d’initiation de laharssur les flancs du volcan. Enfin, cette étude a débouché sur la mise en place d’une nouvelle fonctiondans le logiciel de modélisation de lahars LAHARZ prenant en compte l’incorporation progressive desédiment dans un contexte érosif dans les vallées, ce qui permet une meilleure délimitation de zonesde risque de lahars sur le cône. / During a volcanic eruption at ice capped volcanoes, syn-eruptive volcanic debris flows, lahars, canbe triggered through the partial melting of the glaciers. This phenomenon is well known to have happenedat Cotopaxi volcano, Ecuador, where the present study has been realized. The latter concernsthree drainages on the southwestern flank of the volcano and one alluvial fan. A first analysis hasbeen conducted assessing geomorphologic features in the drainages testifying from erosional anddepositional processes during past lahars, in particular of those generated during the last eruptiveevent dating back to 1877 AD. Although the types of determined geomorphologic features are thesame, their spatial distribution varies among the three valleys as a function of an interplay of localmorphologic parameters. The individual environmental conditions determine also the flow volumeof such lahars, a critical parameter when to delineating hazard zones in the adjacent lowlands. Thesecond analysis has therefore be performed at large scale on the alluvial fan forming at the mouthof the southernmost of the three drainages. An integral study of the surface morphology and naturalexposures was enriched with subsurface stratigraphic information obtained through a ground penetratingradar survey. The sediment architecture of the fan provides valuable insights on the distributionof erosional features and deposits. Different fan parts appear to be active at different times andlahar deposit thicknesses are highly variable as a function of flow type and volume. This allows torelate floodplain dynamics to the initiation zone of lahars on the upper flanks of the volcano. At last,this research led to integrate a new bulking function acknowledging for erosional processes in thevalleys into the lahar-modeling software LAHARZ allowing to better delineate lahar hazard zones onthe fan.

Le plateau basaltique du Devès, situé dans la région du Velay, au sud du Massif Central oriental français, compte une dizaine de tourbières dont le contexte hydro-géomorphologique est original. Quatre d'entre elles ont été étudié dans ce travail : une vaste tourbière basse de maar, ainsi que trois petites tourbières basses de bassins. Les objectifs assignés à ce travail de recherche sont triples : - approfondir les connaissances écogéographiques sur les tourbières du domaine volcanique du Devès afin d'obtenir un évaluation générale de leur état de santé. - déterminer les impacts des interventions humaines sur ces sites afin de guider les opérations de gestion conservatoire actuelles et d'orienter les projets de restauration en cours. - acquérir des données paléoenvironnementales, afin d'appréhender les multiples changements qui ont rythmé l'histoire de ces tourbières et de leur environnement physique et humain ; se servir de ces données pour tenter de prévoir leur évolution à moyen terme. Au final, cette étude a permis de mieux comprendre le fonctionnement et la dynamique récente d'une tourbière de maar. Nous avons ainsi fait apparaître des dysfonctionnements sur le cas de la tourbière de Ribains et proposé une réflexion sur la gestion de ce site. Nous avons étudié les cas particuliers de trois tourbières basses du Nord Devès, inscrites dans des dépressions circulaires fermées. Ces tourbières, au contexte hydro géomorphologique original, ont révélé un fonctionnement et une dynamique très similaires. D'un point de vue paléo-environnemental nous avons dégagé dans le Devès deux périodes de mise en place des tourbières. Une première entre le Bølling et le début du Préboréal et une seconde à la charnière du Boréal et de l'Atlantique. Ces résultats renforcent les observations déjà faites dans le Massif Central oriental granitique.

Un des enjeux de la volcanologie réside dans la compréhension du fonctionnement du système de stockage et de transferts magmatiques associés aux éruptions. Au Piton de La Fournaise, cette étude est ici abordée par une analyse croisée des déformations, couplée à des modélisations numériques, et aux données géochimiques de la période 1998-2007. Au sein de cette activité, nous définissons, depuis 2000, un caractère cyclique ; chaque cycle est défini par une séquence d'éruptions sommitales et latérales terminées par une éruption distale à océanite. Ces éruptions successives sont caractérisées par des dykes s'initiant à des niveaux de plus en plus profonds et des laves de plus en plus primitives. Ces cycles durant lesquels l'inflation du cône est continue, pourraient témoigner d'une réalimentation continue du système de stockage superficiel. Ces résultats permettront dans le futur une meilleure prédiction de la localisation des éruptions, selon leur position dans un cycle d'activité.

La gestion des crises volcaniques constitue un sujet d'étude marginal, tous domaines de recherche confondus. La complexité des phénomènes volcaniques (aléas multiples, incertitude des prévisions), l'absence de cadre conceptuel et méthodologique établi pour l'étude des crises, les opportunités réduites de vivre des crises volcaniques, et la focalisation des chercheurs en sciences de la Terre sur l'aléa sont autant de raisons qui expliquent ce manque d'engagement. Cette thèse a pour objectif de combler partiellement ces lacunes en capitalisant des analyses sur les modes de gestion des crises. Elle propose ainsi des RETours d'EXpérience sur la gestion de crises éruptives survenues en mai 2006 au Karthala (Grande Comore), et en avril 2007 au Piton de la Fournaise (La Réunion). S'y ajoute un RETEX sur la gestion des lahars consécutifs aux éruptions explosives de 2005 en Grande Comore. Ces cas d'étude reposent sur le vécu direct des crises analysées, puis sur un travail d'enquête auprès des autorités, scientifiques, médias et populations. Ils mettent entre autres en évidence un manque caractérisé de moyens, d'information et de formation de l'ensemble des acteurs sur les deux îles. Les causes profondes des facteurs de dysfonctionnement sont ensuite recherchées. L'analyse révèle le poids des composantes humaines, culturelles, politiques, socioéconomiques et territoriales dans les réponses apportées face aux crises. Enfin, cette thèse propose des outils et des approches pour améliorer la gestion des crises sur les deux îles.

Les développements récents sur les applications des spectromètres UV miniaturisés pour la mesure des flux de gaz volcaniques ont ouvert la possibilité de mesurer régulièrement le dégazage de volcans isolés, dont les flux de SO2 n'avaient jamais, ou rarement, été mesurés. Au Vanuatu, le dégazage d'un seul volcan sur six aériens actifs a été mesuré (1999). Cette thèse décrit les travaux réalisés sur l'étude du dégazage de quatre des édifices actifs de cet arc insulaire. Ils ont permis de mettre en évidence d'importantes sources permanentes de SO2 et d'halogènes sur les édifices volcaniques des îles d'Ambrym et de Tanna; des mesures de dégazages ont également été effectuées lors des manifestations éruptives sur les îles d'Aoba/Ambae et de Lopevi. Il ressort que les volcans du Vanuatu sont de très importantes sources de SO2 et d'halogènes. Ces sources naturelles d'émissions, liées à des manifestations volcaniques permanentes et cycliques, étaient peu connues et non prises en compte dans des bilans globaux. L'estimation minimum du flux de SO2 libéré par quatre édifices (Aoba, Ambrym, Lopevi, Yasur) du Vanuatu se situe autour de 61 kg/s, ce qui représente entre 11 et 20 % du flux global moyen de SO2 rejetés dans l'atmosphère par les volcans de la planète. Le dégazage perturbe l'écosystème, génère des pertes importantes sur les plantes et cultures dont dépendent les ni-vanuatais pour subsister. Il menace épisodiquement leur sécurité. Son étude est un apport significatif à la quantification du risque volcanique sur l'Archipel.

Ce travail de thèse porte sur la description des aérosols stratosphériques et des mécanismes de transport responsables de leur évolution dans le temps à partir des deux premières années d'observations du lidar CALIOP embarqué sur le satellite franco-américain CALIPSO, lancé en mai 2006. Après adaptation des algorithmes de restitution aux faibles signaux de diffusion Mie des aérosols stratosphériques et correction de l'étalonnage rendue nécessaire par la présence d'aérosols dans la gamme d'altitude de l'étalonnage des produits standards, il est montré qu'il est possible d'obtenir des profils moyens zonaux de rapport de diffusion avec une précision de 2%. Après application de ces corrections ainsi que d'un masque de nuages reposant sur la dépolarisation du signal lidar, l'évolution observée des aérosols entre 15 et 40 km d'altitude de juillet 2006 à septembre 2008, conduit aux conclusions suivantes : a) l'approvisionnement souvent ignoré et fréquent de la stratosphère en aérosols par des éruptions volcaniques relativement mineures, d'indice d'explosivité de 3 à 4, se traduisant par des panaches autour de 19-20 km d'altitude, soulevés lentement par la suite par la circulation de Brewer-Dobson pour parvenir un an plus tard à 25 km ; b) le découplage entre la moyenne et la basse stratosphère séparées par une région de vitesse verticale faible ou nulle vers 20 km. En accord avec les idées prévalant sur le sujet, la moyenne stratosphère tropicale apparaît comme le siège d'un soulèvement lent à une vitesse de l'ordre de 300 m/mois, confiné dans le " tropical pipe ", suivi à plus haute altitude d'un échange méridional d'intensité modulée par l'oscillation quasi-biennale. Par contre et en contradiction avec le schéma aujourd'hui accepté de soulèvement lent produit par l'échauffement radiatif de l'air depuis le niveau du sommet des enclumes convectives vers 14 km, la région en dessous de 20 km apparaît être le siège de violentes injections d'air propre, depuis la troposphère et vraisemblablement lessivé dans les nuages, particulièrement intenses à l'équateur durant la saison convective la plus active de l'été austral. Dans la mesure où la TTL, Tropical Transition Layer, est définie comme la région de la stratosphère soumise à l'influence de la troposphère, ces observations suggèrent que son sommet se situe vers 20 km. Une conséquence du mélange avec l'air propre troposphérique est le nettoyage rapide dans cette tranche d'altitude des aérosols volcaniques qui peuvent s'y trouver. Enfin une autre observation inattendue est celle de la présence chaque année de couches aérosols entre 15 et 18 km limitées à l'Afrique de l'Ouest et à l'Asie du Sud durant leur saison respective de mousson, dont il est suggéré qu'il puisse s'agir de fines poussières minérales d'origine désertique.