Géophysique, Imagerie de la surface de la Terre, Risque volcanique, Système hydrothermal, Tomographie, Muons, Modélisation tri-Dimensionnelle, Simulation

Le développement de méthodes de télédétection pour visualiser la structure interne et la circulation des fluides à la surface de la Terre est une quête constante des géophysiciens pour affiner leur compréhension des processus dynamiques qui se produisent à l'intérieur d'édifices naturels tels que les volcans.Parmi ces méthodes, la tomographie muonique, ou muographie, a prouvé au cours des deux dernières décennies qu'elle permettait d'obtenir des informations uniques sur la structure interne de la densité des volcans.La muographie est le point de rencontre de la physique des particules et des géosciences, car elle repose sur la détection de particules élémentaires appelées muons qui irradient abondamment la surface de la Terre, provenant des interactions entre rayons cosmiques de haute énergie et noyaux de l'atmosphère. Grâce à leurs propriétés physiques, les muons peuvent se propager sur des distances kilométriques dans un milieu rocheux, en étant affectés le long de leur trajectoire par les changements de densité. C'est pourquoi la muographie est souvent présentée comme un analogue à grande échelle de l'imagerie à rayons X.Cette thèse se concentre sur l'application de la muographie au volcan actif de La Soufrière de Guadeloupe, dans les Petites Antilles françaises.L'une des principales composantes de l'évaluation du risque volcanique à La Soufrière est la stabilité de l'édifice. Celle-ci est affectée par la circulation de fluides hydrothermaux chauds et acides à l'intérieur du dôme de lave du volcan, ce qui aggrave la probabilité d'un effondrement partiel des flancs. Pour étudier la stabilité mécanique des volcans, la connaissance de la distribution de densité est d'une importance capitale et est traditionnellement déduite par des études gravimétriques, qui estiment les variations de densité par des mesures de l'intensité du champ de gravité à la surface de l'édifice. Cependant, outre la difficulté d'obtenir une bonne couverture de prises de données à la surface de l'édifice, l'inversion des données gravimétriques est hautement non unique et mal posée et nécessite des contraintes préalables sur la structure interne.Le travail a d'abord consisté à développer de nouvelles méthodes de traitement et d'analyse des données pour la campagne de prise de mesures muoniques par quatre détecteurs, en cours depuis 2015 sur les flancs du dôme de lave de La Soufrière. Ce nouveau traitement des données s'est accompagné du développement d'outils de simulation Monte-Carlo pour mieux comprendre les performances des détecteurs, et évaluer la capacité de rejet du bruit de fond et la contamination du flux de muons transmis sortant du volcan par des sources de bruit de fond irréductibles. Suite au développement de ces outils, l'analyse des quatre ensembles de données a été réalisée. Cette étude fournit une excellente couverture spatiale du dôme de lave. Une attention particulière a été portée à l'estimation et à la propagation des incertitudes statistiques et systématiques afin de mieux contraindre les estimations de densité déduites des mesures de flux. Une inversion linéaire bayésienne des données des quatre détecteurs a été réalisée sur cette base. Le nouveau modèle de densité met en évidence une anomalie de faible densité et de volume significatif dans la région la plus active du volcan, où celui-ci présente les manifestations les plus soutenues d'activité hydrothermale depuis le début de sa période de réveil en 1992. Cette observation est cohérente avec la connaissance actuelle de la circulation des fluides hydrothermaux, obtenue grâce à d'autres études géophysiques telles que la tomographie électrique. Des modèles de densité comme celui présenté dans ce travail, ainsi que des mesures sur le terrain pour évaluer précisément les propriétés mécaniques de la roche, sont les principales données d'entrée pour poursuivre la modélisation numérique de la stabilité de l'édifice et affiner l'évaluation du risque d'effondrement de flanc