L'intégration de méthodes de prédiction des éruptions volcaniques dans une stratégie de surveillance globale peut être un outil d'aide à la décision précieux pour la gestion des crises, si les limites des méthodes utilisées sont connues. La plupart des tentatives de prédictions déterministes des éruptions volcaniques et des glissements de terrain sont effectuées avec la méthode FFM (material Failure Forecast Method). Cette méthode consiste à ajuster une loi de puissance empirique aux précurseurs de sismicité ou de déformation des éruptions. Jusqu'à présent, la plupart des travaux de recherche se sont attachés à faire des prédictions a posteriori, basées sur la séquence complète de précurseurs, mais le potentiel de la méthode FFM pour la prédiction en temps réel, en n'utilisant qu'une partie de la séquence, n'a encore jamais été évaluée. De plus, il est difficile de conclure quant-à la capacité de la méthode pour prédire les éruptions volcaniques car le nombre d'exemples publiés est très limité et aucune évaluation statistique de son potentiel n'a été faite jusqu'à présent. Par conséquent, il est important de procéder à une application systématique de la FFM sur un nombre important d'éruptions, dans des contextes volcaniques variés. Cette thèse présente une approche rigoureuse de la FFM, appliquée aux précurseurs sismiques des éruptions volcaniques, développée pour une application en temps réel. J'utilise une approche Bayésienne basée sur la théorie de la FFM et sur un outil de classification automatique des signaux ayant des mécanismes à la source différents. Les paramètres d'entrée de la méthode sont les densités de probabilité des données, déduites de la performance de l'outil de classification. Le paramètre de sortie donne la distribution de probabilité du temps de prédiction à chaque temps d'observation précédant l'éruption. Je détermine deux critères pour évaluer la fiabilité d'une prédiction en temps réel : l'étalement de la densité de probabilité de la prédiction et sa stabilité dans le temps. La méthode développée ici surpasse les applications classiques de la FFM, que ce soit pour des applications en a posteriori ou en temps réel, en particulier parce que l'information concernant l'incertitude sur les donnée est précisément prise en compte. La classification automatique des signaux sismo-volcaniques permet une application systématique de cette méthode de prédiction sur des dizaines d'années de données pour des contextes volcaniques andésitiques, au volcan Colima (Mexique) et au volcan Mérapi (Indonésie), et pour un contexte basaltique au Piton de la Fournaise (La Réunion, France). Je quantifie le nombre d'éruptions qui ne sont pas précédées de précurseurs, ainsi que les crises sismiques qui ne sont pas associées à des épisodes volcaniques. Au total, 64 séquences de précurseurs sont étudiées et utilisées pour tester la méthode de prédiction des éruptions développée dans cette thèse. Ce travail permet de déterminer dans quelles conditions la FFM peut être appliquée avec succès et de quantifier le taux de réussite de la méthode en temps réel et en a posteriori. Seulement 62% des séquences précurseurs étudiées dans cette thèse sont utilisable dans le cadre de la FFM et la moitié du nombre total d'éruptions sont prédites a posteriori. En temps réel, seulement 36% du nombre total d'éruptions auraient pu être prédites. Cependant, ces prédictions sont précises dans 83% des cas pour lesquels les critères de fiabilités sont satisfaites. Par conséquent, il apparaît que l'on peut avoir confiance en la méthode de prédiction en temps réel développée dans cette thèse mais que la FFM semble être applicable en temps réel uniquement si elle est intégrée dans une statégie de prédiction plus globale. Cependant, elle pourrait être potentiellement utile combinée avec d'autres méthodes de prédictions et supervisée par un observeur. Ces résultats reflètent le manque de connaissances actuelles concernant les mécanismes pré-éruptifs. / Eruption forecasting methods are valuable tools for supporting decision making during volcanic crises if they are integrated in a global monitoring strategy and if their potentiality and limitations are known. Many attempts for deterministic forecasting of volcanic eruptions and landslides have been performed using the material Failure Forecast Method (FFM). This method consists in adjusting an empirical power law on precursory patterns of seismicity or deformation. Until now, most of the studies have presented hindsight forecasts, based on complete time series of precursors, and do not evaluate the method's potential for carrying out real-time forecasting with partial precursory sequences. Moreover, the limited number of published examples and the absence of systematic application of the FFM makes it difficult to conclude as to the ability of the method to forecast volcanic eruptions. Thus it appears important to gain experience by carrying out systematic forecasting attempts in various eruptive contexts. In this thesis, I present a rigorous approach of the FFM designed for real-time applications on volcano-seismic precursors. I use a Bayesian approach based on the FFM theory and an automatic classification of the seismic events that do not have the same source mechanisms. The probability distributions of the data deduced from the performance of the classification are used as input. As output, the method provides the probability of the forecast time at each observation time before the eruption. The spread of the posterior probability density function of the prediction time and its stability with respect to the observation time are used as criteria to evaluate the reliability of the forecast. I show that the method developed here outperforms the classical application of the FFM both for hindsight and real-time attempts because it accurately takes the uncertainty of the data information into account. The automatic classification of volcano-seismic signals allows for a systematic application of this forecasting method to decades of seismic data from andesitic volcanoes including Volcan de Colima (Mexico) and Merapi volcano (Indonesia), and from the basaltic volcano of Piton de la Fournaise (Reunion Island, France). The number of eruptions that are not preceded by precursors is quantified, as well as the number of seismic crises that are not followed by eruptions. Then, I use 64 precursory sequences and apply the forecasting method developed in this thesis. I thus determine in which conditions the FFM can be successfully applied and I quantify the success rate of the method in real-time and in hindsight. Only 62% of the precursory sequences analysed in this thesis were suitable for the application of FFM and half of the total number of eruptions are successfully forecast in hindsight. In real-time, the method allows for the successful predictions of only 36% of the total of all eruptions considered. Nevertheless, real-time predictions are successful for 83% of the cases that fulfil the reliability criteria. Therefore, we can have a good confidence on the method when the reliability criteria are met, but the deterministic real-time forecasting tool developed in this thesis is not sufficient in itself. However, it could potentially be informative combined with other forecasting methods and supervised by an observer. These results reflect the lack of knowledge concerning the pre-eruptive mechanisms.

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 / Preventing volcanic risk is a major challenge, in particular when dealing with Mt Etna whose frequent eruptions regularly threaten Catane province. First, the physical elements necessary to understand the mechanism intervening in basaltic lava flow are exposed. Then, we develop an information system which deals with the main aspects of volcanic risk : lava flow evolution foresight and risk map design. This system is integrated in a geographical information system and is composed of both a model based on cellular automata permitting to simulate the evolution of a lava flow, and an infrared satellite image treatment module permitting to evaluate the lava flux rate. All the models and procedures developed were validated with the 2001, 2006 and 2007 eruptions. Lastly, to enhance the information system, we develop a digital model for lava flow cooling by means of Smoothed Particles Hydrodynamics. This model is validated by different case tests before being applied to the cooling of a lava lake

Différents cycles ont été reconnus dans l'évolution des littoraux volcaniques de l'archipel d'Hawaï en lien avec des changements dans les processus d'érosion. Le développement d'un delta de lave dépend de l'extension du tapis de débris formés lors de réactions hydromagmatiques, elle-même tributaire de la topographie sous-marine. L'effondrement du delta lors d'un mouvement de masse dans le soubassement engendre des risques importants pour les promeneurs lorsque la forme est en construction et durant sa première année d'inactivité. La stabilisation rapide de l'assise de débris en quelques années diminue fortement le recul de la falaise qui s'effectue désormais par le biais des agents marins et de la gravité, surtout lors d'éboulements et de basculements de pans de falaise, dont l'occurrence est décroissante.<br /><br />Le recul par genèse de grottes et d'arches est également courant, entraînant une irrégularisation longitudinale du trait de côte avant sa simplification. La formation de gradins par délogement latéral élabore une plate-forme en escalier. Des banquettes d'érosion marine de haute mer, en partie structurales, peuvent aussi être façonnées, mais elles sont rapidement immergées par l'élévation du niveau relatif de la mer consécutive à la subsidence volcano-isostasique. Sur le long terme, les glissements de terrain deviennent plus fréquents sur les grandes falaises plus anciennes.<br /><br />Les formes de détail se développent également sur ces littoraux ayant subi une plus longue évolution. Lorsque les conditions sont favorables, des formes d'alvéolisation peuvent néanmoins être façonnées rapidement, notamment lorsque la texture plus résistante de la croûte superficielle permet la mise en surplomb. Les processus de météorisation semblent être confinés au niveau des discontinuités de la roche. Leur efficacité différenciée selon la durée d'émersion, notamment celle de l'haloclastie, façonne des plates-formes à rempart externe initiées à partir de banquettes d'origine eustatique.

Les processus d’interaction solide-liquide régulent les mécanismes qui régissent la disponibilité des oligo-éléments en phase liquide. Dans cet article, ces processus ont été étudiés grâce à l'utilisation des éléments de terres rares (REE), car ils sont d'excellents traceurs des processus géochimiques. Le but de la première partie de ce travail était d'étudier la réactivité des particules volcaniques lors de l'interaction avec l'eau de la mer synthétique. Les résultats montrent que en dehors de la dissolution, qui est le processus principal, un procédé d'adsorption de surface se produit également, probablement sur la surface des cristaux nouvellement formé. La présence supposée de ces minéraux est suggéré par la variation temporelle de l'Y/Ho, des observations SEM et analyse XRD. Enfin, l'ajout des ligand dissous ne pas augmenter le taux de dissolution des particules volcaniques, mais modifiant la distribution de REE en phase liquide. Dans la deuxième partie de ce travail, l'étude des terres rares a été appliquée à un système humain. Ces éléments ont été utilisés, en fait, d'enquêter sur les fluides du poumon (BAL) chez les personnes exposées aux retombées de cendres volcaniques. Le résultat suggère que la co-précipitation du YLn-phosphates se produisent dans les poumons, à la suite de l'inhalation de particules volcaniques. Ce processus est confirmé par des simulations thermodynamiques et cinétiques indiquant que la cristallisation de YLn-phosphates et d'autres phases authigènes apparaît comme la conséquence de la dissolution de la fraction solubles de cendres / The solid-liquid interaction processes regulate the mechanisms governing the availability of trace elements in liquid phase. In this paper, these processes have been studied through the use of the Rare Earth Elements (REE) since they are excellent tracers of geochemical processes. The purpose of the first part of this work was to study the reactivity of volcanic particulates during the interaction with synthetic seawater. The results show that apart from the dissolution, which is the main process, a surface adsorption process also occurs, probably on the surface of newly formed crystals. The supposed presence of these minerals is suggested by the temporal variation of the Y/Ho ratio, by SEM observations and XRD analysis. Finally the addition of ligand species to dissolved media does not increase dissolution rate of volcanic particles but modify the YLn distribution in liquid phase. In the second part of this work, the Rare Earth study was applied to a human system. These elements were used, in fact, to investigate the effects due to the interactions between the inhaled atmospheric particulate matter and the lung fluids (BAL), in people exposed to fallout of volcanic ash. The results suggest that YLn-phosphate co-precipitation occurs in lungs as a consequence of inhalation of volcanic particles and their interactions with lung fluids. This process is confirmed by thermodynamic and kinetic simulations indicating that crystallisation of YLn-phosphates and other authigenic phases occurs as a consequence of the soluble ash fraction dissolution. The combination of YLn fractionation in bronchial fluids can represent a potential tracer of exposure to atmospheric fallout

La Zone Critique de la Terre désigne la fine pellicule recouvrant sa surface, à l’interface du cycle de l’eau, de lithosphère et de la biosphère. Cette couche est produite à sa base par altération chimique et détruite à son sommet par érosion mécanique. Parce que le lithium et ses isotopes ont la particularité de se partager entre la phase dissoute et la phase solide au cours des réactions d’interactions eaux-roches, nous explorons, dans cette thèse, le potentiel des isotopes du lithium dissous dans les rivières comme traceurs des processus d’altération chimique des continents. Nous nous sommes focalisés, dans un premier temps, sur le Bassin Congolais. Cette étude met en évidence le caractère équivoque de la réponse de la composition isotopique du Li (δ7Li) dissous des rivières aux topographies plates (et aux intensités d’altération élevées). Deux valeurs extrêmes de δ7Li dissous sont, en effet, produites dans le bassin du Congo, qui tracent deux styles d’altération continentale distincts, dans lesquels les processus d’altération chimique sont différents. D’autre part, nous proposons une nouvelle estimation du flux moyen de Li et de sa composition isotopique moyenne exportés à l’océan par les rivières aujourd’hui (5,5×1010 g.an−1 et 19±2‰, respectivement). Nous montrons que le δ7Li dissous dans les grands fleuves est contrôlé, au premier ordre, par la réincorporation du Li dans les minéraux secondaires (dans les sols et les plaines d’inondation) et, d’une manière équivoque, de l’intensité d’altération. En outre, l’étude des δ7Li dissous dans les rivières drainant les îles volcaniques (Islande, Java, Martinique, Sao Miguel et Réunion) montre que l’hydrothermalisme continental, générant des eaux très concentrées en Li avec une valeur basse de δ7Li (car très peu fractionnée par rapport à la roche mère basaltique), influence le δ7Li dissous des rivières des îles volcaniques et peut avoir un impact significatif sur le flux de Li (et son δ7Li) transféré(s) à l’océan à l’échelle globale. Enfin, nous proposons une interprétation de l’augmentation de l’ordre de 9‰ qu’a connue la signature isotopique du Li de l’eau de mer au cours du Cénozoïque à l’aide d’un modèle de boîtes simple de l’océan et au regard de nos résultats. Il émane de ce travail de thèse que les isotopes du Li dissous dans les rivières prouvent là encore leur capacité à être de bons traceurs des régimes d’altération des roches silicatées continentales (et ce, même en contexte anthropisé, comme le montre notre étude du bassin de l’Orgeval, en Seine-et-Marne). Le Li et ses isotopes constituent donc des traceurs prometteurs de la Zone Critique de la Terre et des paléo-processus d’altération chimique ainsi que de l’évolution géodynamique des continents voire des grands mouvements verticaux affectant la lithosphère continentale / The Critical Zone of the Earth is the layer covering its surface, at the interface between the water cycle, the lithosphere and the biosphere. This layer is produced at its base by chemical weathering and destroyed at its top by mechanical erosion. We explore the potential of lithium isotopes dissolved in rivers as tracers of continental chemical weathering processes as lithium and its isotopes are highly fractionated between the dissolved and solid phases during water-rock interaction processes. First, we are focused on the Congo Bassin. This study demonstrates the equivocal response of the isotopic composition of the riverine dissolved Li isotope compositions (δ7Li) to flat topography (and high weathering intensities). Two extreme values of dissolved δ7Li are produced in the Congo Basin, which trace two distinct continental weathering styles in which chemical weathering processes are different. On the other hand, we refined the mean flux of Li and its average isotopic signature exported to the ocean by rivers today (5.5×1010 g. an-1 et 19±2‰, respectively). We show that dissolved δ7Li in large rivers is controlled, at first-order, by the re-incorporation of Li into secondary weathering minerals (in soils and floodplains) and in, an equivocal way, of the weathering intensity. Moreover, the study of dissolved δ7Li in rivers draining volcanic islands (Iceland, Java, Martinique, Sao Miguel and Reunion) shows that continental hydrothermal activity, producing waters with high Li concentration with low value of δ7Li (as low fractionated towards the basaltic bedrock), influences the dissolved δ7Li in rivers of volcanic islands and can have an impact on the Li flux (and its δ7Li) transferred to the ocean on a global scale. Finally, by using a simple box model of the ocean and our results, we suggest an interpretation of the 9‰ increase of seawater δ7Li during the Cenozoic. This thesis highlights that riverine dissolved Li isotopes confirm once again their capacity to be powerful tracers of the weathering regimes of continental silicate rocks (even in anthropized context, as showed by our study of the Orgeval catchment, in Seine-et-Marne). Li and its isotopes are thus promising tracers of the Critical Zone of the Earth and the chemical weathering paleo-processes as well as the long-term geodynamic evolution of the continents or even the large vertical movements affecting the continental lithosphere

Le refroidissement seculaire du manteau terrestre et de la lithosphere continentale se traduit par l'augmentation de la surface de terres emergees. L'augmentation corollaire des processus d'alteration et d'erosion des silicates a des consequences majeures pour les enveloppes externes. Nous avons developpe un modele physique qui permet d'evaluer la surface de terres emergees en fonction de la temperature du manteau, de la surface totale de continents, et de la distribution des altitudes continentales. Nos resultats numeriques montrent qu'a la fin de l'Archeen, moinsde 15% de la surface terrestre etaient emergee, en accord avec nombre d'observations geologiques et geochimiques. Pour estimer le refroidissement seculaire de la lithosphere continentale, nous avons combine des modeles thermo-mecaniques avec des observations de terrain. Nos resultats, contraints par des donnees geologiques, suggerent que la temperature au Moho a diminue de ~ 200ºC en 2,7 Ga dans le craton des Pilbaras. Pour evaluer l'effet de la croissance continentale sur l'evolution de la surface de terres emergees, nous avons developpe un modele base sur un modele d'evolution thermique publie. Nos resultats suggerent que la surface emergee, de moins de 5% de la surface terrestre a l'Archeen, depend peu de la croissance continentale. Ceci permet de reconcilier l'evolution du 87Sr/86Sr oceanique avec une croissance continentale precoce. Les continents sont enrichis en phosphate, element essentiel a la biosphere. Leur emergence aurait donc engendre une augmentation de la production d'oxygene par des micro-organismes photosynthetiques, contribuant ainsi a l'oxydation de l'atmosphere il y a 2,4 Ga.

En plus de la destruction des sites à proximités des volcans, l'accumulation de cendres volcaniques dans les zones distales peut causer de graves dommages. De plus l'évaluation de ces dangers n'est pas pleinement prise en compte dans les plans de mitigation actuels. L'étude de la dispersion des retombées pyroclastiques produites par les éruptions explosives des volcans Italiens lors du Quaternaire est le sujet de cette thèse. L'étude tephrostratigraphique de trois carottes lacustres des lacs de Shkodra et Ohrid (Albanie) et d'une carotte marine du Nord de la mer Ionienne a été réalisée. Dix-sept niveaux de tephra ont été corrélés aux éruptions explosives de A.D. 472, Avellino (3.9 cal. ka BP) du Vésuve, Monte Pilato (A.D.1200), Gabellotto-Fiumebianco (8.6 cal ka BP) et Monte Guardia (22 ka BP) de l'île de Lipari, FL (3.4 cal. ka BP) de l'Etna, Astroni (4.2 cal. ka BP), Agnano Monte Spina (4.5 cal. ka BP), Agnano Pomici Principali (12.3 cal. ka BP), SMP1-Y3 (31 ka) et l'Ignimbrite Campanienne-Y5 (39 ka) des Champs Phlégréens, X6 (107 ka) de la région Campanienne, et de P11 (131 ka) de l'île de Pantelleria. Cinq autres niveaux de tephra possèdent la composition que les dépôts de l'éruption vésuvienne de Mercato. Cela suggère une activité explosive entre les éruptions pliniennes de Mercato (8.9 cal ka BP) et Avellino (3.9 cal ka BP). Toutes ces données ont été intégrées, avec les données préexistantes de la littérature, dans la banque de données d'un SIG. Cette banque de données couplée à un SIG permet de grandement améliorer les dispersions des cendres et représente un outil qui améliore la mitigation des risques volcaniques dans la région centrale de la Méditerranée.

A la suite des dégâts occasionnés par le cyclone Hyacin~ the, le B.R.G.M. Réunion et l'équipe de géologie appliquée de l'I.R.I.G.M. (Université de Grenoble) ont entrepris l'étude des risques du secteur de Grand lIet. . Cette étude comporte plusieurs parties : La première est une présentation générale du secteur de travail dans le contexte géographique et géologique de l'ile de la Réunion. Les raisons du choix de Grand lIet y sont exposées. En dernier lieu, les résultats d'une analyse statis* tique systématique des directions de ravines sont présenté. La deuxième partie est l'étude géologique détaillée des formations de Grand Ilet. Elle conduit à la définition de l'unité intermédiaire qui est caractérisée par des glissements de grande ampleur. La troisième partie concerne des mouvements de terrains plus superficiels mais qui sont responsables de dégârs importants. On insiste sur le rôle des précipitations cycloniques dans leur évolution. Enfin, la quatrième partie tente de faire un bilan des conditions d'instabilité et permet de proposer un zonage du secteur adapté au contexte volcano-détrique et au climat tropical.

Depuis son émersion, il y a environ 2,5 millions d'années, l'île de la Réunion, située à 800 km à l'est de Madagascar, subit des perturbations naturelles importantes: volcanisme, cyclones, glissements de terrain. En trois siècles seulement, les activités humaines ont accéléré la perte de diversité biologique, causée principalement par la destruction d'une grande partie des forêts tropicales indigènes et par l'introduction d'organismes exogènes. Au moins soixante espèces de plantes introduites envahissent actuellement les écosystèmes forestiers encore intacts. Les principaux vestiges de la forêt tropicale humide de basse altitude subsistent au sud-est de la Réunion, dans un paysage fragmenté naturellement par les coulées volcaniques. La diversité en espèces d'arbres et la structure de ces forêts tropicales sont analysées à l'échelle d'un hectare, sur une coulée ancienne de plus de quatre siècles. La dynamique de recolonisation de ces communautés végétales après les perturbations volcaniques a été étudiée à plusieurs échelles spatiales, sur des coulées récentes d'âges différents. Le maintien à long terme de ces habitats est remis en cause par les problèmes de fragmentation, combinés aux invasions par les plantes introduites qui modifient considérablement le cours des successions primaires. Ceci est en partie expliqué par une capacité de dissémination plus faible chez les espèces végétales indigènes que chez les espèces introduites.

Ce travail de thèse est consacré à la problématique de l'extraction de signaux dans le domaine des sciences de l'atmosphère. Le point commun des problèmes considérés est la notion de détection et d'estimation de signaux cachés. L'approche par la modélisation probabiliste s'est avérée y être bien adaptée. Nous nous sommes attachés à répondre à différentes questions telles que : quel type d'information s'attend-on à trouver dans un jeu de données ? Le signal supposé caché se trouve-t-il réellement dans les données d'étude ? Comment détecter l'instant d'occurrence d'un phénomène, comment le caractériser (timing, amplitude ...) ? Si un tel signal est détecté, quelle (in)certitude est associée à cette détection ? Nous répondons à ces différentes questions au travers du développement de différents modèles probabilistes de détection d'évènements cachés. Nous nous sommes intéressés à différents modèles non stationnaires, dont deux sont notamment présentés dans un cadre multivarié. Au travers de trois modèles probabilistes décrivant des signaux cachés divers (rupture de variance, signaux éruptifs et changement de moyenne), nous avons aussi développé des méthodes associées de détection. Le premier modèle est appliqué à la détection de nuages stratosphériques polaires dans des profils lidar, le deuxième à des éruptions volcaniques dans des séries chronologiques de sulfate et enfin le troisième est appliqué à la détection de la date de l'onset de la mousson Africaine dans des données géophysiques liées à la dynamique atmosphérique et aux précipitations. Les différentes méthodes mises en place font appel à une variété de techniques de modélisation probabiliste allant de la maximisation de rapport de vraisemblance associée à des tests d'hypothèses à la résolution de filtres de Kalman dans un cadre non stationnaire et non linéaire pour la décomposition de séries multivariées couplée à la détection des signaux cachés. Les difficultés techniques liées à l'extraction de signaux cachés sont analysées et les performances des différents algorithmes sont évaluées. Les résultats obtenus confirment l'intérêt des méthodes probabilistes appliquées à ces problématiques de signaux cachés en sciences de l'atmosphère.