La craie est définie comme étant une roche carbonatée microporeuse. Cette formation est largement exploitée en Mer du Nord pour ses hydrocarbures et constitue un aquifère dans le Bassin de Paris. Les propriétés réservoirs de la Craie (propriétés matricielles) varient considérablement comme Alam et al. (2011) le soulignent pour les craies de surface et de subsurface de Mer du Nord, avec des porosités de 4 à 52 %, des perméabilités de 0,01 à 100 mD et des vitesses des ondes P sur roche saturée de 2,4 à 4,4 km.s-1.Dans le secteur d'étude (Normandie, France), pris comme analogue de terrain, 114 échantillons (Cénomanien- Santonien) ont été prélevés dans le but d'illustrer l'hétérogénéité sédimentaire et pétrophysique de la Craie. Comme en Mer du Nord, les échantillons présentent une grande variabilité des propriétés pétrophysiques : porosités () de 6,1 à 46,5 %, perméabilités matricielles (K) très faibles (0,002 mD) jusqu’à des perméabilités atypiques et très fortes (470 mD, en l’absence de fractures) et des vitesses des ondes P sur échantillon saturé s'étalant selon une gamme très étendue (1,8 à 5,5 km.s-1). Cependant, l’origine de ces hétérogénéités est encore mal comprise. L'objectif de cette étude est donc de comprendre l’influence respective des facteurs contrôlant les propriétés pétrophysiques afin d'optimiser la modélisation de ce type de réservoir.Trois modèles sédimentaires ont ici été définis avec :(1) un modèle de rampes, subdivisé en modèle de rampe argileuse avec des porosités de 34,4 à 46,5 % et des valeurs de perméabilité de 0,02 à 3 mD, et en modèle de rampe carbonatée (mudstone à grainstone) avec des porosités de 26,1 à 46,5 % et des valeurs de perméabilité de 0,04 à 6 mD,(2) un modèle de contourite (mudstone à grainstone et micro-packstone) avec des porosités de 8,3 à 45,5 % et des valeurs de perméabilité de 0,05 à 477 mD,(3) un modèle de surface de hiatus (Soupground à Hardground) avec des porosités de 6 à 36,9 % et des valeurs de perméabilité de 0,002 à 36 mD.Une classification des microtextures, basée sur l’observation au MEB de quatre critères (contenu minéralogique, fraction biogénique, fraction micritique et fraction de ciment), est proposée. À partir de ces critères, deux groupes majeurs ont été définis avec les Pure chalk microtextures et Impure chalk microtextures. Le groupe des Pure chalk microtextures reflète l’intensité des modifications subies par la craie lors de la diagenèse (taux de diagenèse qu’elle soit précoce ou tardive). Une augmentation du taux de diagenèse induit une diminution de la porosité et une augmentation des vitesses de propagation des ondes acoustiques P. En effet, les transformations qui s’opèrent au cours de la diagenèse, d’une part, réduisent la taille des espaces intergranulaires et donc font diminuer la porosité, et d’autre part, renforcent les contacts entre grains, favorisant ainsi la propagation des ondes acoustiques. Pour le groupe des Impure chalk microtextures, la présence de particules insolubles dans la matrice n’affecte pas la porosité, mais diminue la perméabilité du fait de la réduction des tailles d’accès aux pores.Par conséquent, l’héritage sédimentaire et les transformations diagénétiques, qui affectent à différents degrés les faciès sédimentaires primaires, déterminent les propriétés réservoirs et sont donc la cause de la grande variabilité de ces dernières. De plus, la répartition spatiale de ces microtextures, dépendante des conditions de dépôt (e.g. climat, distance des côtes), et des modifications diagénétiques (précoces ou tardives), n’est pas aléatoire. À partir de l’extrapolation combinée des faciès et de l’empreinte diagénétique, il serait ainsi possible de visualiser la distribution des propriétés pétrophysiques sur les falaises, et donc de visualiser l'architecture des réservoirs dans la Craie. / Chalk is defined as a microporous reservoir rock. This formation is a prolific hydrocarbon-bearing reservoir in the North Sea and is one of the main aquifers in the Paris Basin. The heterogeneity of chalk in terms of petrophysical properties (both surface and subsurface) is illustrated by porosity ranging from 4 to 52 %, permeability from 0.01 to 100 mD, and P-wave velocity on water-saturated samples from 2.4 to 4.4 km.s-1 (Alam et al., 2011).In the study area (Normandie, France), taken as an outcrop analogue, 114 samples were collected (Cenomanian – Santonian). As in the North Sea fields, these samples show great petrophysical heterogeneity: total porosity () from 6.1 to 46.5 %, very low permeability (K; 0.002 mD) to atypical high permeability (477 mD; without fractures), and P-wave velocity on water-saturated samples ranging from 1.8 to 5.5 km.s-1. However, the origin(s) of this large variation in petrophysical parameters is poorly understood. Three sedimentary models are defined here for the chalk:(1) Ramp models, subdivided into argillaceous ramp model, with porosity from 34,4 to 46.5%, and permeability from 0.02 to 3 mD, and carbonate ramp model (mudstone to packstone), with porosity from 26.1 to 46.5%, and permeability from 0.04 to 6 mD,(2) Contourite model (mudstone to grainstone and micro-packstone), with porosity from 8.3 to 45.5%, and permeability from 0.05 to 477 mD,(3) Softground to Hardground model, with porosity from 6 to 36.9%, and permeability from 0.002 to 36 mD.Each model has specific distribution in the porosity-permeability plot.A microtexture classification of the chalk is proposed, based on SEM observation of four groups of criteria (mineralogical content, biogenic fraction, micritic fraction and cement fraction). From these criteria, two major groups are defined: Pure chalk microtexture and Impure chalk microtexture. The Pure chalk microtexture group reflects the intensity of chalk modification during diagenesis (rate of diagenesis, whether early stage or not). An increase in the diagenetic rate induces a decrease in porosity and an increase in P-wave velocity. Diagenetic transformation induces a decrease in pore-space size, with better grain contact, explaining the decrease in porosity and the improved propagation of acoustic P-wave velocity. For Impure chalk microtexture group, the presence of insoluble particles in the matrix does not affect porosity but decreases permeability, due to the reduction of pore-throat size.The complex relationships between depositional inheritance and diagenetic transformation lead to variability in chalk petrophysical parameters. Spatio-temporal distribution of depositional facies and associated diagenetic transformation is not random; it depends on sedimentological condition (e.g. climate and distance to shore) and imprint of diagenetic processes (early or late stage). By extrapolating from the combined data on facies and diagenesis, the petrophysical properties of the entire cliff section can be characterised, and used to describe the reservoir architecture of the Chalk.

L'effet de la fissuration des roches sur leur perméabilité suscite un intérêt croissant par ses conséquences sur la sûreté des enfouissements de déchets radioactifs, ainsi que ses applications à certains problèmes de prospection pétrolière. Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de ce phénomène sur quelques variétés de roches poreuses. La méthode adoptée consiste à examiner l'évolution de la perméabilité en fonction de l'endommagement.<br />Deux variétés d'argiles, dites de l'Est et du Gard, ont été étudiées pour des applications aux problèmes d'enfouissement des déchets, ainsi qu'une variété de craie provenant de la Mer du Nord pour des applications pétrolières.<br />Les difficultés majeures de l'étude des argilites consistent en une très faible perméabilité et en la fragilité de ces matériaux qui ne se prêtent pas à fissuration diffuse. Nous sommes cependant parvenus à montrer par exemple que la perméabilité de ces matériaux peut être multipliée par un facteur 100 pour une déformation volumique irréversible de 4%.<br />La craie étant plus poreuse et plus perméable ne pose pas de problème de mesure de la perméabilité. Mais la difficulté de créer un état d'endommagement diffus dans ce matériau subsiste. Cependant par des trajets de chargements complexes, nous avons pu dans certains cas faire évoluer l'endommagement et la perméabilité dans ce matériau et établir une relation phénoménologique entre ces deux grandeurs.<br />La création de fissure dans ces matériaux par endommagement thermique, dans un four à micro-ondes, s'est avérée une voie beaucoup plus simple et prometteuse que la voie mécanique. L'observation des échantillons endommagés d'argilites par le microscope électronique nous a permis de déterminer l'ordre de grandeur de la taille des fissures. Sur les échantillons de craie endommagés, la mesure de la vitesse acoustique a permis d'établir une relation simple entre la perméabilité et l'endommagement.

Le manque de granulats de qualité dans certaines régions françaises tend à devenir un problème majeur pour les entreprises de travaux publics. En effet, avec une consommation annuelle de 200 millions de tonnes de granulats, la route se doit de faire face en imaginant de nouvelles solutions comme la valorisation de certains matériaux.La craie, située entre roche et sol, possède une place particulière dans le monde des travaux publics. En effet, si son usage est relativement bien maîtrisé en vue de la réalisation de remblais ou de couches de forme, il en est tout autrement des couches d'assise de chaussées.Ce type de matériau est usuellement rejeté de la conception des assises de chaussées car il ne s'insère pas dans les guides normatifs utilisés par les professionnels de la route. Les performances mécaniques et la grande sensibilité à l'eau de ce matériau ne lui permettent pas d'entrer dans les spécifications requises par les normes. Cependant, il est tout à fait envisageable que la craie trouve sa place de manière totale ou partielle en assise de chaussée.Ce matériau que l'on trouve en abondance dans certaines régions françaises pauvres en granulats "haut de gamme" (Nord-Pas de Calais, Champagne-Ardenne...), pourrait ainsi palier un certain manque, participer à la préservation de ressources naturelles et économiser frais et pollution générés par un approvisionnement lointain.Ces travaux menés en partenariat entre le Laboratoire de Génie Civil de l'Ecole Centrale de Lille et le Laboratoire Routier Eurovia de Loos ont donc pour but de proposer des pistes d'amélioration des performances mécaniques de la craie en vue de sa valorisation en assise de chaussée routière

Le comportement d'une roche est lié à son histoire et en particulier pour une roche sédimentaire, les conditions de dépôt, les déformations et contraintes subies durant la diagenèse et en dernier lieu les conditions de gisement actuelles aident à la compréhension de ce comportement. L'histoire de la craie sera donc l'objet de la première partie où l'on étudiera successivement sa pétrographie, sa stratigraphie et ses modes de gisement. La deuxième partie sera consacrée à l'étude rhéologique de la craie de Venteuil. Avant d'aborder l'étude mécanique, nous décrirons en détail la géométrie du matériau, à l'aide surtout de la microscopie électronique.La définition de la structure est indispensable à la compréhension du comportement. Dans l'étude rhéologique enfin nous distinguerons essentiellement les quatre facteurs les plus importants du comportement des roches: les contraintes , l'eau, la structure et le temps. Nous envisagerons successivement dans l'espace des contraintes un chemin monoaxial, isotrope et déviatoire. Cette étude consiste essentiellement en une analyse des résultats d 'essais au laboratoire. La troisième partie, enfin, sera consacrée à la géotechnique. En fait nous ne traiterons que le problème des tunnels et des excavations souterraines, les problèmes de fondations ayant déjà fait l'objet de nombreuses études dont on trouvera les références en bibliographie.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l'analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s'est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d'altération et des alluvions. Tout d'abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L'adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le " signal géologique ", diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s'est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d'ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l'information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d'obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L'ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée.

Le risque d’instabilités d’ouvrages souterrains (naturels ou anthropiques) concerne plus de 10 000 communes en France. Les accidents ayant pour cause l’effondrement soudain de carrières souterraines sont parmi les plus destructeurs, aussi bien humainement que matériellement. L’évolution des possibles instabilités, dès lors que les enjeux sont importants, implique d’enrichir les connaissances actuelles afin de prévoir leur ampleur et leur impact en surface. Des travaux précédents ont démontré l’importance du couplage hydro-mécanique dans le diagnostic de stabilité. La complexité du phénomène d’interaction eau-craie est due à de nombreux facteurs environnementaux et la sensibilité à chacun de ces facteurs dépend entièrement de la craie considérée. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’influence de l’eau et de l’interaction eau-roche sur le comportement mécanique de trois craies dans le cadre d’une approche multi-échelles et multi-physiques. L’étude des caractéristiques physiques et mécaniques de trois craies du Bassin Parisien, ainsi que leur rapport avec l’eau, a été réalisée. Les résultats obtenus à l’aide d’essais hydromécaniques à court terme restent cohérents avec la littérature. Le « vieillissement » de la craie dans le cadre des carrières souterraines soumises à des fluctuations du niveau de la nappe a été prouvé et caractérisé. Il se traduit selon la craie, soit par un changement de la forme et la taille des cristaux dans la microstructure impliquant une amélioration des propriétés mécaniques en bord de pilier au détriment du cœur, soit par la présence de traces de dissolution dont la fréquence augmente dès que l’on s’éloigne du cœur, soit par une augmentation du nombre de microfissures en cœur amenant une diminution de ses propriétés. L’étude du comportement différé de chaque craie a été faite à l’aide d’essais de fluage uniaxial à hygrométrie contrôlée avec ennoyage. Il a été établi entre autre que le fluage dépend de la minéralogie/microstructure et du couple déviateur-hygrométrie mais pas de l’histoire du chargement. Les mécanismes supposés être à l’origine des déformations différées sont d’ordre physico-mécanique et impliquent la rupture et le rétablissement de liaisons électro-statiques. L’interprétation de tous les essais réalisés a permis de quantifier l’importance des contributions relatives des différents paramètres sur le comportement différé. Le but à long terme reste d’alimenter à la fois l’expertise et les modèles de calculs de sorte à pouvoir prédire notamment l’impact d’une variation du niveau des nappes sur la stabilité à long terme des carrières de craie. Un modèle rhéologique a en ce sens été développé au sein de l’INERIS (Souley et al. 2016) / The risk of instability of underground structures (natural or anthropogenic) involves over 10 000 towns in France. The accidents due to the sudden collapse of underground quarries are among the most destructive, both humanly and materially. The evolution of possible instabilities, since the issues are significant, implies to enrich current knowledge to predict their extent and their impact on the surface. Previous work has demonstrated the importance of the hydro-mechanical coupling in the diagnosis of stability. The complexity of the chalk-water interaction phenomenon is due to many environmental factors and sensitivity to each factor depends entirely on the chalk considered. The main objective of this thesis is to study the influence of water and water-rock interaction on the mechanical behaviour of three chalks as part of a multi-scale and multi-physics approach. The study of physical and mechanical characteristics of chalks from three underground quarries situated in the Parisian Basin, and their interaction with water was carried out. The results obtained through short-term hydro-mechanical tests remain consistent with the literature. The "ageing" of chalk from the underground quarries subjected to fluctuations in the water table has been proven and characterized. It is expressed, based on the chalk considered, by a change in the shape and size of crystals in the microstructure involving improved mechanical properties at the edge of the pillar to the detriment of the heart, or by the presence of traces of dissolution whose frequency increases as one moves from the heart, or by increasing the number of microcracks in the heart causing a decrease in the properties of the chalk. The study of the long-term behaviour of each chalk was developed through uniaxial creep tests with controlled humidity and waterlogging. It was established among other things that creep depends on the mineralogy / microstructure and the deviatoric stress-humidity couple but not on the loading history. The mechanisms believed to be the origin of creep deformations are of a physico-mechanical nature and involve the breaking and the restoring of electrostatic bonds between grains. The interpretation of all the tests carried out allowed to quantify the importance of the relative contributions of various parameters on the long-term behaviour. The long-term goal remains to power both the expertise and the model calculations so that one can predict the impact of a particular variation of the groundwater level on the long-term stability of chalk underground quarries. A rheological model has been developed in this direction within the INERIS (Souley et al. 2016)

En Haute-Normandie, où l'essentiel de la ressource en eau potable provient de la Nappe de la Craie, les captages d'eau sont souvent affectés par des phénomènes de turbidité, induisant un risque sanitaire considérable pour les populations, en période de fortes pluie. Ce phénomène est lié à la nature karstique de l'aquifère de la Craie. Les forages réalisés en plaine alluviale de la vallée de Seine sont moins atteints par la turbidité. Nous étudions les modalités du transport des particules depuis un point d'engouffrement sur le plateau (perte) jusqu'à un exutoire naturel (source karstique), et un exutoire artificiel en plaine alluviale (forage AEP). La recherche développée dans cette thèse consiste d'une part en l'élaboration d'une méthodologie de mesure in situ de la charge solide en suspension, et d'autre part en une analyse théorique, axée sur l'expérimentation et la modélisation, du transport de particules (transport et dépôt) en milieu poreux à forte perméabilité. Dans tous les cas, une comparaison traceur dissous/particules est réalisée. Le transport de particules jusqu'à la source se fait sur un mode typiquement karstique. Les phénomènes de dépôt et de relargage apparaissent importants en regard du transfert direct. Le transit jusqu'au forage est caractérisé par un mode de transport différent, non karstique, que l'on attribue à l'influence de l'interface Craie/alluvions, celle-ci se comportant à l'échelle du terrain comme un milieu poreux piégeant une quantité importante de particules. Les expérimentations en laboratoire corroborent cette hypothèse.

Cette thèse doctorale aborde divers aspects méthodologiques de l’analyse de levés électromagnétiques aéroportés en domaine temporel (TDEM) pour une interprétation détaillée à finalités géologique et hydrogéologique. Ce travail s’est appuyé sur un levé réalisé dans la région de Courtenay (Nord-Est de la région Centre) caractérisée par un plateau de craie karstifié (karst des Trois Fontaines) recouvert par des argiles d’altération et des alluvions. Tout d’abord, une méthode de filtrage des données TDEM utilisant la Décomposition en Valeurs Singulières (SVD) a été développée. L’adaptation rigoureuse de cette technique aux mesures TDEM a permis de séparer avec succès les bruits, qui ont pu être cartographiés, et le « signal géologique », diminuant grandement le temps nécessaire à leur traitement. De plus, la méthode s’est avérée efficace pour obtenir, rapidement, des informations géologiques préliminaires sur la zone. Ensuite, une analyse croisée entre le modèle de résistivité obtenu en inversant les données filtrées et les forages disponibles a été effectuée. Celle-ci a mené à une amélioration de la connaissance géologique et hydrogéologique de la zone. Une figure d’ondulation, séparant deux dépôts de craie, et le réseau de failles en subsurface ont pu être imagés, apportant un cadre géologique au karst des Trois Fontaines. Enfin, une nouvelle méthode combinant l’information aux forages et les pentes issues du modèle de résistivité EM a permis d’obtenir un modèle d‟une précision inégalée du toit de la craie. L’ensemble de ces travaux fournit un cadre solide pour de futures études géo-environnementales utilisant des données TDEM aéroportées, et ce, même en zone anthropisée. / This PhD thesis addresses various methodological aspects of the analysis of airborne Time Domain ElectroMagnetic (TDEM) surveys for a detailed interpretation in geological and hydrogeological purposes. This work was based on a survey conducted in the region of Courtenay (north-east of the Région Centre, France) characterized by a plateau of karstified chalk (karst des Trois Fontaines) covered by weathering clays and alluvium. First, a TDEM data filtering method using the Singular Value Decomposition (SVD) was developed. The rigorous adaptation of this technique to TDEM data has successfully separated the noise, which was mapped, and the “geological signal”, greatly reducing the time required for processing. Furthermore, the method has proved to be effective to obtain quick preliminary geological information on the area. Then, a cross analysis between the resistivity model obtained by inverting the filtered data and the available boreholes was conducted. This has led to the improvement of the geological and hydrogeological knowledge of the area. An undulating feature, separating two chalk deposits, and a fault network were imaged in subsurface, providing a geological framework for the Trois Fontaines karst. Finally, a new 3D modelling method combining the information at boreholes and the slopes derived from the EM resistivity model yielded an accurate model of the top of the chalk. All of this work provides a solid framework for future geo-environmental studies using airborne TDEM data, even in anthropized area.

La Craie, dépôt caractéristique de l'Europe du Nord durant le Crétacé supérieur, est un sédiment original dans l'histoire de la Terre, qui reste relativement mal compris. Cette étude vise à mieux établir la sédimentologie et la stratigraphie de la Craie du Bassin de Paris. Nous proposons un modèle de faciès de la Craie, depuis des environnements très proximaux, de shoreface, jusqu'à des dépôts distaux situés sous la limite d'action des vagues de tempêtes. Ce modèle et les données de subsurface sont utilisés pour réaliser des corrélations à haute-résolution à l'échelle du Bassin de Paris, en appliquant les méthodes de la stratigraphie séquentielle. Ces corrélations permettent de contraindre la géométrie 3D et la paléogéographie du Bassin de Paris au Crétacé supérieur. Ceci permet d'appréhender les différents paramètres (tectonique, eustatisme) qui contrôlent la sédimentation de la Craie. En particulier, nous montrons une réorganisation importante des contraintes intraplaques au Turonien supérieur depuis des contraintes orientées Est-Ouest vers un régime compressif globalement orienté Nord-Sud. Ce régime en compression, bien connu en Europe centrale et interprété comme la marque du début du cycle alpin, n'était jusqu'à présent pas reconnu à l'ouest du Massif Londres-Brabant. De même, cette étude apporte des éléments de contrainte pour la compréhension des variations eustatiques durant le Crétacé supérieur. Enfin, nous mettons en évidence, l'existence d'une circulation océanique, active à partir du Coniacien, associée à un contexte d'upwelling en Europe du Nord. À partir d'une confrontation entre la répartition mondiale de la craie et les données de prédiction des upwellings, nous avançons l'hypothèse que la présence de ce sédiment particulier sur des mers épicontinentales est directement lié à des dynamiques d'upwelling et à la paléocéanographie du Crétacé supérieur.

Le champ captant de Radicatel est un AEP historique et majeur de la ville du Havre et de son agglomération (255 000 hab.). C'est un système karstique en rive droite de la Seine dont l'aval hydraulique (la Seine) a subi un étagement et une diffluence en réponse aux fluctuations du niveau de base lors du Pleistocène. Cette structure géomorphologique couplée à un contexte structural dominé par la faille Fécamp-Lillebonne détermine le fonctionnement hydrologique et la vulnérabilité du système. L'étude de ce système se réalise en trois temps : (i) l'analyse de l'influence de la variabilité climatique, (ii) l'étude du contexte structural aux échelles régionale, et locale et (iii) l'étude du fonctionnement hydrologique de trois sources (Moulin B, Bruisseresse et Four aux Veaux) grâce à un suivi haute fréquence de la turbidité et de la conductivité électrique. Cette analyse pluri-disciplinaire a permis de montrer le lien entre les variations des signaux hydro-sédimentaire (turbidité et enregistrement sédimentaire) et les variations de l'indice climatique NAO démontrant que les systèmes karstiques de Radicatel présente de très fortes connexions avec les eaux issues du ruissellement. A ce contrôle climatique s'ajoute un contrôle structural marqué par la présence d'une faille orientée N150 entre la source du Moulin B et la source de la Bruisseresse, de failles secondaires N50-60, ainsi que la morphologie singulière du toit de l'Albien. Ce contexte structural et hydrogéologique est le cadre d'un graben compartimenté siège d'un aquifère très puissant et karstifié. L'étude du fonctionnement hydrologique des trois sources par traitement du signal des données de turbidité et de conductivité électrique conforte l'existence d'un caractère commun propre à l'aquifère de la craie, et des fonctionnements propres à chaque source lié à l'influence locale du cadre morpho-tectonique local.