La prévention du risque volcanique est un enjeu majeur, notamment pour l'Etna, dont les éruptions fréquentes menacent la province de Catane. Sont exposés les éléments physiques nécessaires à la compréhension des mécanismes intervenant dans un écoulement de lave basaltique. Un système d'information intégrant les principaux aspects du risque volcanique et permettant la création de cartes de risques est alors proposé. Ce système comprend un modèle, basé sur les automates cellulaires et intégrant le traitement d'images satellitaires. Il permet de simuler l'évolution d'une coulée ainsi que son débit. Ce système est alors intégré dans un Système d'Information Géographique. Il est validé sur les éruptions 2001, 2006 et 2007. Enfin, nous développons, pour l'enrichir, un modèle numérique pour le refroidissement d'une coulée de lave à l'aide des Smoothed Particle Hydrodynamics. Ce modèle, validé sur différents cas test, est appliqué au refroidissement d'un lac et d'une coulée de lave. Keywords : risque volcanique, automates cellulaires, système de veille, information élaborée, système d'information géographique, Smoothed Particle Hydrodynamics

La premlere partie de ce travail est consacrée à l'étude régionale de l' ensemble des formations cantaliennes au niveau de la cuvette de Murat et de la vallée de la Chevade . La deuxième partie, entreprise à la suite des travaux d'A. de GOER sur la planèze de Saint-Flour , consiste en une étude purement pétrologique des basaltes planéziens et miocènes de ce secteur. L'étude générale de la région de Murat va nous permettre dans un premier temps de replacer dans leur cadre structural les principaux épisodes basaltiques de la planèze de Saint - Flour et de ses marges.

Déposés en Antarctique de l'Est au cours des 4 derniers cycles climatiques, les aérosols volcaniques (5-50 )um) et continentaux (2-3 )um) de la carotte de Vostok constituent des traceurs de circulations atmosphériques passées. Pour reconstruire leurs trajectoires troposphériques, il est nécessaire d'identifier les sources (volcans ou régions désertiques) à l'origine des émissions des cendres et des poussières continentales. Pour cela, on compare les caractéristiques géochimiques des aérosols avec les caractéristiques des sources potentielles répertoriées. Ces analyses reposent sur les concentrations en éléments majeurs (obtenues par microsonde électronique), en éléments traces (ICPMS), et sur les compositions isotopiques en Strontium et Néodyme (TIMS). Nous avons dû adapter ces méthodes analytiques à la petite taille des aérosols et à leur très faible quantité. Les caractéristiques géochimiques des volcans sources potentiels (latitude>30oS, activité<-500 ka) sont basées sur une synthèse bibliographique. On montre que les cendres des horizons volcaniques analysés proviennent essentiellement de l'arc volcanique des îles Sandwichs (situé dans l'Atlantique Sud, à 5000 km), mais aussi d'Antarctique de l'Ouest et d'Amérique du Sud. De plus, certains horizons peuvent être utilisés comme marqueurs stratigraphiques pour dater (e.g. 141 ka) et corréler les carottes. Les caractéristiques isotopiques (Sr et Nd) des régions désertiques d'Afrique du Sud, d'Australie, du Sud de l'Amérique du Sud, d'Antarctique et de Nouvelle Zélande sont mesurées sur des échantillons prélevés in situ. On remarque qu'il est nécessaire d'utiliser, pour la comparaison avec les aérosols, la fraction granulométrique inférieure à 5 um. Il est ainsi montré que les poussières continentales déposées à Vostok au cours des 4 derniers cycles climatiques proviennent de la Patagonie en période interglaciaire (flux -1,5 mg/m2/an) comme en période glaciaire (flux -20 mg/m2/an). Une partie de cette augmentation de flux peut être expliquée par la présence de vastes épandages de particules détritiques fluvio-glaciaires qui recouvrent, en période glaciaire, la Patagonie et le plateau continental argentin émergé. L'ensemble des sources des aérosols volcaniques et continentaux est donc localisé, quelle que soit la période climatique, dans une région située du côté Atlantique de l'Antarctique, aux moyennes et hautes latitudes. Le transport des particules semble quant à lui être assuré par un courant d'ouest circumpolaire convergent versl'Antarctique. Ce travail montre donc que, à partir des aérosols volcaniques et continentaux, on peut obtenir des paléo-informations dynamiques qui, au travers des corrélations, des datations, ou des modèles de circulation atmosphérique globaux, seront utiles aux reconstitutions des climats du passé.

Le 26 octobre 2010, le Merapi, volcan le plus peuplé et le plus actif de l'île de Java en Indonésie, est entré en éruption. Depuis plusieurs mois, l'activité du volcan avait crû de manière exponentielle et les scientifiques s'attendaient à une éruption exceptionnelle. Leurs pronostics furent confirmés puisqu'un blast parcourut une distance de 8 km, rasa en partie deux villages évacués, et tua mbah Marijan, le « gardien des clés du volcan » et son entourage, ce qui perturba l'équilibre culturel de la région. Dans les jours suivants, l'activité du volcan continua de s'intensifier et des évacuations massives furent organisées. L'éruption paroxysmale du Merapi eut lieu dans la nuit du 4 au 5 novembre ; alors que plusieurs dizaines de milliers de villageois étaient en train de fuir le volcan, de puissantes coulées pyroclastiques dévastèrent les flancs du volcan, tuant et détruisant tout sur leur passage sur une distance maximale de 17 km. Cette nuit-là, plus de 250 personnes furent tuées et des milliers d'autres blessées. Le secteur agricole subit de lourdes pertes puisque de nombreuses récoltes et un grand nombre de têtes de bétail furent perdus. L'activité touristique de la région connut une réaction en chaîne d'impacts, générée en grande partie par la fermeture de l'aéroport de Yogyakarta. La thèse propose de faire une étude transversale et systémique de ces impacts en analysant comment gouvernement et populations se remettent de cette éruption et s'apprêtent à faire face à une future crise causée par le Merapi. / On October 26th 2010, the Merapi volcano, the most populated and active volcano on the Java Island in Indonesia, began erupting. During several months, the volcano's activity grew exponentially and scientists were expecting an exceptional eruption. Their predictions got confirmed as a blast ran through a distance of 8 km, partially destructed two villages (that got evacuated) and killed mbah Marijan, the « Volcano's keys guardian » and his entourage. As a consequence, the cultural balance of the region got disrupted for a while. In the following days, the volcano's activity kept increasing and mass evacuations were organized. The paroxysmal eruption of Merapi occurred in the night of November 4th to 5th 2010, while tens of thousands of villagers were running away from the volcano. Powerful pyroclastic flows ran down its flanks, killing and destroying everything on their way over a maximum distance of 17 km. During that night, over 250 people were killed and thousands were injured. The agricultural sector suffered from heavy losses as many crops and livestock were lost. The tourism industry in the region experienced a chain reaction of impacts generated by the closure of Yogyakarta airport. The thesis offers to make a transversal and systemic study of these impacts by analyzing how the government and people recovered from the eruption and how they are to face a future crisis caused by the Merapi.

Les marges passives volcaniques, qui représentent plus des trois-quarts des marges passives sur Terre, sont les témoins privilégiés des processus d'extension lithosphérique menant à l'ouverture de nouveaux bassins océaniques. Nous explorons les relations structurales et temporelles qui existent entre le développement des grandes structures qui accommodent l'extension et l'amincissement, et la production magmatique qui lui est associée pendant le développement d'une marge volcanique naissante, accessible à l'observation directe : le point triple Afar en Éthiopie. Nous produisons une nouvelle lecture de la province Afar en tant qu'analogue en devenir des marges volcaniques. L'approche combine (1) une étude de terrain et de datation du volcanisme pour caractériser le timing de la déformation crustale et le style structural du rift pendant les phases les plus précoces, (2) la détermination géochimique de l'évolution des régimes de fusion mantellique au cours de l'extension, (3) la construction d'un modèle régional qui traite de l'évolution des marges volcaniques en lien avec leur segmentation. Nous mettons en évidence un style structural de " magmatic wide rift " en Afar, associé au jeu de grands détachements. Des phases tectoniques ponctuelles alternent avec des périodes de magmatisme plus prolongées. La segmentation précoce syn-rift contrôle le style structural, la mise en place du magma et l'asymétrie des marges. Le break-up correspond à l'amincissement et le remplacement de la croûte initiale par du matériel mafique pour former la première croûte océanique. / Volcanic passive margins, that represent more than the three quarters of continental margins worldwide, are privileged witnesses of the lithospheric extension processes that form new oceanic basins. We explore the structural and temporal relationships that exist between the development of the major thinning and stretching structures and the magmatic production associated to them. To do so, we will focus our work on the Afar triple junction, Ethiopia, a nascent volcanic passive margin. The rationale of this work is threefold. First, we present fieldwork analysis with lavas geochronology to determine the timing and style of the rift formation, since the early syn-rift period to present days. Second, we determine how the melting regime evolved in response to the deformation of the crust, through a geochemical study of the pre- to syn-rift lavas. Third, we present a synthetic regional that describes the evolution of the volcanic margins in relationship with their segmentation. Central Afar deformed as a magmatic wide rift, associated with major detachment faults. Punctual tectonic phases alternate with protracted magmatic periods. Early syn-rift segmentation controls the structural style, magma emplacement and asymmetry of the margins. The break-up is reached when the initial crust is thinned and replaced by mafic material to form the first oceanic crust.

Sulfur dioxide (SO2) is a gas typical of high temperature magmatic degassing, being its<p>third most abundant constituent after water vapor and carbon dioxide. SO2 flux measurements<p>are used to characterized and monitor volcanic degassing. This thesis presents advanced<p>methods for measuring the SO2 emitted in the troposphere by passive degassing volcanoes.<p>These methods are based on the absorption of infrared (IR) and ultraviolet (UV) light by SO2<p>molecules. They make use of the data acquired by satellite borne sensors (ASTER, OMI and<p>MODIS), and collected in the field using a UV camera equipped with filters<p>ASTER is a multispectral sensor observing the Earth in the thermal IR with a 90 m<p>ground resolution. The developed retrieval algorithm works with band ratios<p>(B10+B12)/2B11 and B14/B11, to avoid spectral interference from other variables than SO2.<p>With this algorithm, the impact of interferers such as atmospheric water vapor, sulfate<p>aerosols and ground emissivity is minimal, as demonstrated by radiative transfer simulations<p>by applying of the algorithm to real ASTER images and by comparing the results with ground<p>based data. ASTER is a kind of unifying thread for this thesis because its high ground<p>resolution fills the gap existing between highly localized ground based SO2 measurements and<p>the global coverage of other satellites with coarser pixels such as OMI and MODIS.<p>OMI is an imaging spectrometer operating in the UV, with a daily global coverage, a<p>high sensitivity to SO2 and a ground resolution of 13x24km. The OMI-ASTER comparison<p>shows that the SO2 columns measured on OMI pixels are two orders of magnitude smaller<p>than those of ASTER, because of the huge difference in the pixel size of the two satellites.<p>The flux measurements however are generally in good agreement. The analysis of a large<p>number of images shows that ASTER is better for cloud free scenes while OMI has an<p>optimal signal to noise ratio when the plume is lying above a low cloud cover. A practical<p>detection limit for SO2 flux measurements in tropospheric plumes has also been established:<p>5kg/s.<p>The comparison between ASTER measurements of SO2 column amounts with those of<p>MODIS (a multispectral IR imager with 1km ground resolution) shed light on systematic<p>errors in MODIS measurements. These errors were quantified and their origins were separated<p>and identified. This work demonstrates the limitations of MODIS for SO2 measurements.<p>A UV camera equipped with filters has also been developed to achieve 2D SO2 from the<p>ground at a high spatial and temporal resolution. The potential provided by this new type of<p>instruments has been demonstrated during a field campaign on Turrialba Volcano (Costa<p>Rica). The integration of measurements obtained using the camera, ASTER and OMI revealed<p>a high and sustained SO2 flux, which can be explained only by the degassing of a recently<p>intruded magma body. The slow decrease of SO2 flux since January 2010 suggests a<p>progressive exhaustion of the volatile content of the magma.<p>Finally, we applied the band ratio algorithm to a series of ASTER images of the recent<p>eruption of Eyjafjallajökull in April-May 2010. The SO2 measurements provide interesting<p>insights into the complex eruptive dynamics and into the control of hydromagmatic<p>interactions on eruptive gas release into the atmosphere. /<p><p>Le dioxyde de soufre (SO2) est un gaz typique du dégazage magmatique de haute<p>température, dont il est le troisième composant le plus abondant derrière H2O et CO2. Le flux<p>de SO2 est un excellent paramètre pour caractériser le dégazage volcanique et surveiller son<p>évolution dans le temps. Cette thèse présente de nouvelles méthodes de mesures des flux de<p>SO2 émis par l’activité volcanique. Ces méthodes se basent sur l’absorption de la molécule de<p>SO2 dans l’infrarouge (IR) et l’ultraviolet (UV). Elles utilisent les données prises par des<p>senseurs embarqués sur des satellites (ASTER, OMI et MODIS) ou opérés depuis le sol<p>(caméra UV munie de filtres).<p>Le senseur ASTER opère dans l’IR thermique avec une résolution spatiale de 90 m par<p>pixel. L’algorithme de mesure développé pour ce satellite n’est sensible qu’à la concentration<p>en SO2 et pratiquement pas aux paramètres interférents qui posaient problèmes aux méthodes<p>existantes :la vapeur d’eau atmosphérique, les aérosols de sulfate dans le panache et<p>l’émissivité de la surface sous-jacente. ASTER est un peu le fil conducteur de cette thèse, car<p>sa haute résolution spatiale lui permet de faire le lien entre des mesures au sol et les mesures<p>faites par d’autres satellites comme OMI et MODIS.<p>Le satellite OMI est un spectromètre imageant qui opère dans l’UV, avec une<p>couverture globale journalière, une haute sensitivité au SO2 et une résolution spatiale de<p>13x24km. La comparaison OMI-ASTER montre que les colonnes mesurées sur les pixels<p>d’OMI sont de deux ordres de grandeur inférieurs à celles d’ASTER, à cause de la différence<p>de résolution spatiale entre les deux satellites. Les mesures de flux, par contre, montrent une<p>très bonne concordance. L’analyse d’un grand nombre d’images a permis d’établir qu’ASTER<p>est meilleur pour des scènes sans nuages tandis qu’OMI est meilleur quand une couverture<p>nuageuse présente sous le panache augmente son rapport signal sur bruit. Une limite de<p>détection pratique a aussi été établie pour les flux de SO2 dans les panaches volcaniques dans<p>la basse troposphère :5kg/s.<p>La comparaison des mesures d’ASTER avec celle de MODIS a permis de démontrer les<p>limites de MODIS pour la mesure du SO2. Des erreurs systématiques sur les mesures de<p>MODIS on été mises en évidence et quantifiées. Ces erreurs sont dues aux interférents<p>spectraux que sont la vapeur d’eau atmosphérique et les aérosols sulfatés. L’émissivité est<p>aussi un important facteur d’erreur pour MODIS.<p>Une caméra UV équipée d’un système de filtres a également été développée pour<p>mesurer le SO2 en 2D, à haute résolution spatiale et temporelle. Le potentiel offert par ce<p>nouveau type d’instrument a été démontré lors d’une campagne de mesures sur le volcan<p>Turrialba (Costa Rica). La combinaison de mesures de SO2 réalisée avec la caméra, ASTER<p>et OMI a permis de mettre en évidence des flux très élevés (30-50kg/s) qui ne peuvent<p>s’expliquer que par une intrusion récente de magma juvénile en cours de dégazage.<p>Enfin, les mesures de SO2 ont réalisées à partir des images ASTER pendant l’éruption<p>du volcan Eyjafjallajökull en avril-mai 2010. Ces mesures fournissent des informations<p>intéressantes sur les dynamismes éruptifs qui se sont succédé et sur le contrôle des émissions<p>de SO2 dans l’atmosphère par les interactions magma-eau. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La gestion et la protection des ressources en eau nécessitent une bonne connaissance des processus hydrologiques à l'échelle du bassin versant. Le problème se pose en particulier aux Antilles où l'activité agricole est à l'origine de pollutions chroniques des ressources en eau et des sols.<br />L'objectif de cette thèse est de caractériser le fonctionnement hydrologique d'un petit bassin versant volcanique en climat tropical, dans un contexte cultivé principalement en banane. Le site d'étude est le bassin de Féfé (17,8 ha), sur l'île de la Basse-Terre en Guadeloupe, qui a été instrumenté entre 2003 et 2006. Deux approches complémentaires ont été utilisées.<br />Premièrement, l'approche expérimentale combinant géologie, hydrologie, hydrogéologie et traçage (pesticide) a permis de caractériser la structure, le bilan et les processus hydrologiques d'un petit bassin versant. Un schéma de fonctionnement global a été établi avec comme caractéristiques principales des flux hydriques élevés (pluie annuelle > 4 000 mm), une importante recharge des nappes (60 % de la pluie efficace annuelle), et une prédominance du ruissellement hortonien. Un modèle global à réservoirs basé sur ce schéma conceptuel a permis de reproduire correctement les flux de surface et souterrains. Ces études nous ont permis d'identifier les principaux mécanismes de contamination des sols et des eaux de surface et de nappes par un nématicide utilisé en bananeraies (le cadusafos).<br />Deuxièmement, l'approche de modélisation à l'aide du modèle distribué MHYDAS, a permis de rendre compte de l'incidence de l'occupation du sol et du réseau de fossés sur la genèse des crues. Cette approche intègre les spécificités du milieu cultivé tropical que sont la redistribution de la pluie par la plante (stemflow du bananier) et les échanges nappe-fossé. L'application du modèle aux échelles de la parcelle, du sous-bassin et du bassin versant, a permis de mieux caractériser les variabilités spatiale et temporelle des processus hydrologiques.<br />Ces deux approches constituent une voie pertinente pour évaluer l'impact environnemental des épandages agricoles, caractériser les changements d'échelle, et tester l'impact de l'occupation du sol.

Depuis maintenant une dizaine d'années, la vision du cycle sismique en zone de subduction a beaucoup évolué. Des découvertes récentes ont mis en évidence une grande diversité des régimes de glissement dans ces zones, avec notamment des glissements asismiques transitoires appelés « séismes lents » (SSE) et des vibrations de faibles amplitudes, persistantes dans le temps, appelées « trémors non volcaniques » (NVT). Ce travail a pour objectif l'étude des trémors non volcaniques afin de caractériser ces nouvelles manifestations des zones de faille. Nous avons abordé ce problème avec deux approches distinctes :1. Observer les trémors dans le milieu naturel afin de déterminer leurs caractéristiques. La zone étudiée correspond à la lacune sismique de Guerrero le long de la subduction mexicaine. Nous avons développé une méthode de détection et de localisation des NVT au Mexique grâce à des analyses d'antennes par formation de voie sur les corrélations. Cette méthode permet de mettre en évidence cer taines caractéristiques des NVT : une complexité des sources pour un épisode de trémors, une corrélation entre les activités de NVT et les pics de vitesse des glissements lents à plus long terme. Par ailleurs, l'étude de l'impact du séisme de Maule (2010, Chili, Mw 8.8) au Mexique montre qu'il a déclenché le second sous évènement du séisme lent de 2009-2010. Ce déclenchement d'un SSE s'ac- compagne de fortes activités de trémors, modulées par les ondes du séisme de Maule dans un premier temps, puis simplement associées au SSE.2. Modéliser les trémors expérimentalement et numériquement pour mieux com- prendre leur origine physique et leurs évolutions sur le long terme. Nous avons en particulier utilisé une expérience de frottement à faible vitesse qui indique une corrélation systématique entre les accélérations d'un glissement et l'émission de signaux qui ressemblent à des NVT. Une modélisation numérique de la zone de subduction mexicaine est également présentée et montre la possibilité de reproduire des trémors en considérant une transition d'affaiblissement critique associée à un processus de décrochage. / The vision of the seismic cycle in subduction zones has considerably evolved over the last 10 years. New discoveries has pointed the diversity of slip behaviors in these zones with aseismic slow slip called « slow slip events » (SSE) and persistent low amplitudes vibrations called « non-volcanic tremors » (NVT). The goal of this thesis is to study the non-volcanic tremors in order to characterize these new manifestations of fault zones. We used two different approaches: 1. We first observed the non-volcanic tremors in the nature in order to characterize this phenomenon. The area of interest is the Guerrero seismic gap along the Mexican subduction zone. We develop a new detection and location method based on beamforming of correlations of seismic signals. This new method exhibits some characteristics of NVT: a complex source for a single tremor episode and a correlation between the NVT episodes and the long-term peak of movement velocity in southwards direction. Moreover, the study of the consequences of the Maule earthquake on the Mexican subduction zone showed that this earthquake triggered the 2009-2010 SSE in Guerrero. This triggering of slow slip is accompanied by strong seismic tremor actvity that are first modulated by the passing waves and then associated to the SSE. 2. We model numerically and experimentally the tremors in order to better understand their physical origin and their long-term evolution. We used a very slow friction experiment that indicates a systematic correlation between slip acceleration of a slider and emission of acoustic signals that are similar to NVT. A numerical modeling of the Mexican subduction zone is also presented and shows the possibility to reproduce NVT with a critical depinning transition.

Avec une population croissante et des ressources en eau de surface limitées, l'hydrogéologie des îles Galápagos reste pour une grande part inconnue. Les précipitations sont relativement faibles et inégalement réparties dans le temps et l'espace. Le centre économique de l'archipel, l'île de Santa Cruz, ne dispose que de quelques cours d'eau intermittents tandis que l'île de San Cristóbal présente plusieurs rivières pérennes. Dans le cadre de ce travail, une approche pluridisciplinaire est utilisée afin de caractériser l'hydrogéologie de l'Archipel. Une nouvelle technique d'interprétation des sondages életro\-magné\-tiques héliportés a été développée. Grâce à des méthodes géostat\-istiques, elle permet la construction d'une grille 3D de la résistivité électrique. Les données issues de la mission SkyTEM réalisée sur les îles de Santa Cruz et San Cristóbal en 2006 sont mises en perspectives. Confrontée aux observations de surface collectées par télédétection et sur le terrain, la géophysique permet de proposer un modèle conceptuel pour l'île de San Cristóbal. Les conditions climatiques ont été suivies avec la mise en place de stations météorologiques le long du versant au vent de l'île de Santa Cruz. La présence de brouillard pendant 6 mois de l'année représente un apport supplémentaire pour la recharge des aquifères. Cet apport a été quantifié avec une méthode basée sur un modèle d'interception à base physique. L'aquifère de base de l'île de Santa Cruz a été étudié avec la propagation du signal de marée, des essais de pompage, et la cartographie de la fracturation. Ces travaux montrent que les basaltes ''jeunes'' fracturés ont une forte perméabilité. En revanche, les failles n'ont qu'un effet limité sur l'hydrogéologie régionale, car elles sont peu connectées. Les configurations hydrologiques contrastées au sein de l'archipel sont expliquées par un schéma d'évolution. Dans les îles relativement jeunes, telles que Santa Cruz, les basaltes fracturés sont perméables. Ils offrent peu de résistance à l'intrusion saline et l'eau douce est rapidement drainée jusqu'à la mer. Les conditions sont plus favorables dans les îles plus âgées. Les perméabilités plus faibles et l'incision des vallées permettent l'émergence de sources.

Analyse des propriétés magnétiques en relation avec les renseignements structuraux qu'elles peuvent fournir. Analyse detaillée de deux types de formation: coulées volcaniques de la bordure du Pelvoux, du Taillefer, du Rochail et des Grandes Rousses ainsi que les roches volcaniques de la zone brianconnaise, deux plutons granitiques du Pelvoux et du Rochail et massifs plutoniques situés le long de la ligne peri-adriatique. Synthèse de ces études concernant la microtectonique, l'anisotropie de susceptibilite magnétique et l'aimantation rémanente. Apport des résultats de ces études à la connaissance de l'histoire alpine et de la tectonique globale