Le dernier rapport du GIEC souligne que le rôle de la stratosphère dans le changement climatique est mal connu et invite à poursuivre son étude. Les mesures d'occultation solaire et in situ sont appropriées à cette étude mais il est nécessaire de les valider. Nous avons tout d'abord développé notre propre algorithme d'inversion des transmissions de SAGE III et avons comparé nos produits (profils verticaux des concentrations en O3 et en NO2 et coefficients d'extinction des aérosols (CEA)) à ceux issus de l'algorithme officiel et d'un troisième algorithme. De bons accords ont été obtenus entre ces inversions pour toutes les espèces. Nous avons poursuivi avec des comparaisons à des mesures corrélatives obtenues à l'aide d'instruments spatiaux et d'un instrument sous ballon (SPIRALE) déjà validés. Si on exclut les CEA, les résultats sont satisfaisants. Toutefois, la comparaison aux mesures in situ de SPIRALE obtenues aux abords du vortex polaire donne un désaccord pour NO2 démontrant ainsi les limites de l'occultation solaire dans la mesure d'espèces réactives dans des conditions dynamiques complexes. Une fois ces validations réalisées, nous nous sommes intéressés aux intrusions dans la stratosphère d'aérosols issus de feux de forêt et nous avons montré qu'elles conduisent à une forte augmentation du nombre de particules. Enfin, dans un cadre international, nous avons participé à la validation des instruments de la mission ACE (FTS, MAESTRO, Imager) à l'aide de SAGE III et de SPIRALE. Cela nous a permis de valider certains produits (O3 et NO2 de FTS et MAESTRO), d'en invalider d'autres (CEA d'Imager) et de confirmer le désaccord pour NO2 entre mesures in situ et à distance. / One of the conclusions of the last IPCC reports is that the role of the stratosphere in the current climate change is not weil known. Consequently, stratospheric studies must continue. Solar occultation and in situ measurements are weil suited to these studies but it is necessary to validate them. First, we have developed our inversion algorithm of the SAGE III transmissions and we have compared our products (vertical profiles of O3 and N02 concentrations and of aerosol extinction coefficients (AEC)) to those from the officiaI algorithm and from a third algorithm. Good agreements are obtained between these inversions for ail species. Then, we have compared our products to those from correlative validated measurements obtained by satellite and balloon borne instrument (SPIRALE). Except CEA, results are satisfying. However, the comparison with in situ measurements from SPIRALE obtained on the edge of the polar vortex exhibits a disagreement for NO2 proving that the solar occultation method are not weil suited for reactive species in complex dynamical situation. Once these validations carried out, we have studied the stratospheric intrusions of aerosols resulting from forest fires and we have shown that they lead to a strong increase in the number of particles. Finally, in an international framework, we have taken part in the validation of the instruments of the ACE mission (FTS, MAESTRO and Imager) with SAGE III and SPIRALE data. That enabled us to validate sorne products (O3 and NO2 from FTS and MAESTRO), to invalidate others (CEA from Imager) and to confirm the discrepancy for NO2 between in situ and remote measurements

La géophysique procure une vision d'ensemble du sous-sol sous forme de cartes et de coupes et apporte des informations précieuses sur la géologie et l'organisation du sous-sol. Bureau d'étude spécialise dans les diagnostics de sols et la recherche d'objets enterrés, Geoscope, partenaire de la thèse CIFRE, désire développer sa thématique géophysique appliquée aux sites et sols pollués. L'objectif est de localiser, de limiter et caractériser les zones polluées aux hydrocarbures. L’étude porte sur l’impact des pollutions hydrocarbonées sur la réponse géoélectrique, et plus spécifiquement sur la réponse en polarisation provoquée spectrale. Les mécanismes de polarisation, qui peuvent être modifiés par la présence d’hydrocarbures, interviennent sur des gammes de fréquences caractéristiques. La polarisation provoquée spectrale, qui mesure la réponse d’un milieu dans le domaine fréquentiel, apporte des informations plus précises que les autres méthodes géoélectriques qui fonctionnent dans le domaine temporel. Les effets de la présence d’hydrocarbures sont étudiés à différentes échelles : (i) à l’échelle du laboratoire, sur des milieux synthétiques afin d’appréhender les mécanismes de réponse (ii) à l’échelle de deux sites pollués afin de confronter les modèles développés en, laboratoire aux données réelles, d’apprécier les limites des méthodes et d’adapter les protocoles utilisés. / Geophysics provides an overview of the basement in the form of maps and sections and gives valuable informations on the geology and the basement organization. Geoscope, partner of the project, is an engineering office specialized in soil diagnosis and buried objects searching and wants to develop environmental geophysics. The aim is to locate, limit and characterize hydrocarbon contaminated areas.The study focuses on the hydrocarbon contamination impact on the geoelectrical response, and more precisely on the spectral induced polarization response. Polarization mechanisms, which can be modified by hydrocarbons presence, occur on typical frequency ranges. Spectral induced polarization, which measures the response of a medium in the frequency domain, gives more precises informations than others methods which work in temporal domain.The effects of hydrocarbon presence are studied at different scales: (i) at the laboratory scale on synthetic media to understand response mechanisms (ii) across two contaminated sites to compare models developed in laboratory to real data, to evaluate the limits of the methods and to adapt protocols.

Nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation numérique d'écoulements gravitaires transitoires à surface libre, pour des fluides visqueux et incompressibles. La loi de comportement est de type viscoplastique avec transition fluide/solide. Plus précisément, nous considérons la loi rhéologique de Drucker-Prager. Nous nous intéressons tout d'abord le cas unidimensionnel d'un écoulement longitudinal cisaillé. Nous étudions un modèle simplifié, avec terme source empirique, pour lequel nous concevons une méthode numérique pour le suivi de la position de l'interface entre la couche solide et la couche fluide. Nous présentons des résultats numériques, avec divers termes sources, et nous comparons ces résultats, lorsque la viscosité est petite, à la solution analytique non visqueuse. Dans le cas visqueux, nous étudions les phases de démarrage et d'arrêt de l'écoulement. Dans un second temps, nous étudions le cas bidimensionnel d'écoulement de Drucker-Prager avec surface libre. La loi de comportement du fluide est traitée par régularisation, et nous utilisons la méthode ALE pour traiter le mouvement du domaine. Nous présentons des résultats numériques pour l'étude de la mise en mouvement d'un talus / This thesis deals with the modeling and numerical simulation of transient free-surface gravity flows, for viscous and incompressible fluids. The constitutive law is viscoplastic, with fluid/solid transition. More precisely, we consider the Drucker-Prager rheological law. We first study the case of a one-dimensional shear flow. We investigate a simplified model, with an empirical source term, for which we develop a numerical method to compute the position of the solid/fluid interface. We present numerical results for various source terms, and compare, in the case of small viscosity, our results to the inviscid analytical solution. In the viscous case, we study the case of a two-dimensional Drucker--Prager flow with free surface. The constitutive law of the fluid is regularized, and the ALE method is used to treat the displacement of the domain. Numerical results are presented for the setting in motion of an embankment

La recherche a porté sur les contraintes reliées à la modélisation des écoulements des eaux souterraines en aquifère côtier. Dans ces aquifères, la présence concomitante d’eaux douces et d’eaux salées modifient les patrons d’écoulement classiquement représentés par l’équation de Darcy. L’influence de la salinité de l’eau sur ses propriétés (densité) et sur la perméabilité du milieu complexifie la représentation mathématique des équations d’écoulement et la résolution des systèmes d’équations. Par ailleurs, l’influence des hétérogénéités du milieu rend plus difficile et hasardeux le paramétrage des modèles et leur calibration. Pour ce faire, nous avons proposé d’utiliser les résultats d’investigations géophysiques et isotopiques des eaux. Une meilleure description du milieu souterrain et l’imagerie de l’interface eau douce/eau salée peut en effet aider à un meilleur paramétrage et à une validation accrue de la simulation des écoulements des nappes côtières. Les mesures géochimiques telles celles des isotopes du radium ont aidé à la validation des flux et concentrations simulés. Notre approche a été appliquée sur la partie aval de la nappe de la Crau. La comparaison des résultats simulés par le modèle aux données de terrain résultant des suivis réalisés ont montré l’intérêt et l’applicabilité et la validation de notre approche méthodologique / The research has focused on the constraints related to the modeling of groundwater in coastal aquifer. In these aquifers, the concomitant presence of freshwater and saltwater alters the flow patterns typically represented by the Darcy equation. The influence of salinity on density and permeability complex the mathematical resolution of flow equations. Moreover, the influence of heterogeneities of aquifer makes it more difficult and risky the model parameterization and its calibration. We propose to use fort that the results of both geophysical and isotopic investigations. Thus, we hypothesize that the description of the subsurface and the imaging of the freshwater/saltwater can help to setup and validate the simulation of groundwater in coastal aquifers. Also we have shown that geochemical measurements such as radon may help to validate the simulated flow. Our approach was applied on the downstream part of the Crau aquifer. The comparison of simulated results to data resulting from monitoring has shown the usefulness and applicability of our approach.

Cette thèse porte sur la méthode magnétique appliquée à l'exploration géophysique d'une zone à caractère géothermique. L'étude se concentre sur la zone volcanique de Basse-Terre, à l'Ouest de la Guadeloupe, dont les fractures, les fluides et les flux de chaleur engendrent un fort potentiel géothermique. Ainsi, le plan de la thèse suit le cours d'une étude magnétique complète, ce qui commence par la compréhension du contexte et des objets à considérer, autant d'un point de vue économique que géologique puis géophysique. S'ensuit un travail de collecte et de traitement des données magnétiques existantes, menant à la conception de nouvelles techniques d'acquisition ou de traitement pour répondre aux besoins spécifiques de la zone d’étude. Les techniques d’acquisition magnétique proposées, par drone (données onshore) ou par bateau (données offshore), permettent d’obtenir des données multi-altitudes haute résolution. Une fois les données obtenues et traitées, elles sont interprétées à différentes échelles en parallèle des connaissances géologiques existantes. Une méthodologie d'inversion spectrale est également proposée. Enfin, un rapprochement est opéré à partir de toutes les données géophysiques pouvant être obtenues : méthode magnétotellurique, électromagnétisme en domaine transitoire et gravimétrie. / This thesis focuses on the application of the magnetic method to the geophysical exploration of a geothermal area. The study area is located in the volcanic field of Basse-Terre, the westernmost island of Guadeloupe, where fractures, fluids and heat flows generate a high geothermal potential. Thus, this manuscript organization follows the course of an exhaustive magnetic study, which begins with the understanding of the considered context and objects, from the economic, geological and geophysical point of views. Then existing magnetic data are collected, leading to the design of new magnetic acquisition and processing methods to meet the specific constraints of the study area. The proposed acquisition techniques, carried by drone (for onshore data) or by boat (for offshore data), allow for high-resolution and multi-altitude surveys. Once the datasets are obtained and processed, they are interpreted at different scales alongside existing geological input. A spectral inverse problem resolution is also proposed. Finally, a comparison is carried out with all the other geophysical data that can be obtained: magnetotelluric method, transient electromagnetism and gravimetry.

Le département de la Vendée est classé en zone de risque sismique niveau 3, en raison d’une activité sismique continue et d’une sismicité historique de forte intensité avec l’évènement majeur du 25 janvier 1799 (M6) dans le Marais Breton. Ce séisme a provoqué des dégâts massifs localement à Bouin et dans la région nantaise, et a été largement ressenti dans l’Ouest de la France. La Vendée littorale est située sur la côte atlantique française au sud du cisaillement sud-armoricain. Elle est caractérisée par de nombreuses structures héritées d’origine varisque et d’orientation NW-SE, réactivées au Mésozoïque et au Cénozoïque délimitant des marais côtiers holocènes. L’enjeu de cette thèse est de caractériser la géométrie des éventuelles failles plio-quaternaires et potentiellement actives dans cette région, en s’intéressant particulièrement à la faille de Machecoul, bordière des bassins sédimentaires du Marais Breton et de la Baie de Bourgneuf et candidate potentielle pour le séisme Vendéen de 1799. Notre approche est pluridisciplinaire terre-mer, intégrant sismologie (réseau temporaire), géophysique marine (sismique réflexion Chirp et Sparker, bathymétrie haute résolution), morpho-tectonique, gravimétrie, étude de forages et sismicité historique. Notre étude a permis d’analyser et de caractériser (1) la structure et la géométrie en profondeur du système de failles normales de Machecoul, (2) la localisation des dépocentres plioquaternaires du Marais Breton et de la Baie de Bourgneuf en relation avec le système de failles de Machecoul, atteignant localement une vingtaine de mètres d’épaisseur, (3) la perturbation du réseau hydrographique et l’incision récente du relief du compartiment inférieur de la faille de Machecoul, probablement d’âge pliocène, ainsi que (4) l’activité microsismique de la faille de Machecoul. Nos données suggèrent que la sédimentation plioquaternaire des bassins en mer comme à terre au sud de la faille de Machecoul a pu être contrôlée par cette faille probablement héritée de l’Eocène. Ce travail confirme l’intérêt multi-disciplinaire de l’étude des failles en domaine de déformation faible et apporte un faisceau d’indices permettant de relier la faille de Machecoul à la rupture du séisme Vendéen de 1799 (M6), évènement historique de référence dans l’Ouest de la France de par son ampleur, et par là même de ses conséquences dans une zone littorale de plus en plus peuplée. / The Vendée department is classified as a level 3 seismic risk zone because of a moderate background seismic activity and a strong historical seismicity dominated by the 1799 January 25th (M6) major event in the MaraisBreton. This earthquake caused local massive damages in Bouin and around Nantes, and its perception area stretched widely in the West of France. Coastal Vendée is located on the French Atlantic coast, south of the SouthArmorican Shear Zone. This area is made of numerous NW-SE trending hercynian inherited structures, reactivated during Mesozoic and Cenozoic times and delimiting holocene coastal marschlands. The main goal of this thesis is to characterize the geometry of potential plio-quaternary active faults in the area by focusing on the Machecoul fault, bounding the Marais Breton and the Baie de Bourgneuf sedimentary basins and potential candidate for the 1799 earthquake. We used a multidisciplinary onshore-offshore approach, including seismology (temporary network), marine geophysics (Chirp and Sparker seismic reflexion, high resolution bathymetry), morphotectonic, gravity, onshore drilling database and historical seismicity.Our results allowed us to analyze and characterize (1) the Machecoul normal faults system structure and geometry in depth, (2) the plio-quaternary depocenters location in Marais Breton and Baie de Bourgneuf in relation with the Machecoul fault system, reaching locally around twenty meters thick, (3) the hydrographic network perturbation and recent incision of the Machecoul fault footwall, probably pliocene aged relief, (4) the microseismic activity of the Machecoul fault. Our data suggest that the plioquaternary sedimentation of the marine and terrestrial basins located in the south of the fault could be controlled by this inherited fault, probably dated from Eocene age.This work confirms the importance of multi-disciplinary approach in the study of faults in low deformation context and provides a body of evidence allowing to connect the Machecoul fault to the rupture of the 1799 Vendée earthquake (M6), historic and reference event in the western part of France given its scale and so its consequences in the more and more densely populated coastal area.

Dans les fluides géophysiques tels que l'atmosphère, l'océan ou l'intérieur de la terre, la présence de rotation et de stratification peut fortement modifier les écoulements bien connus pour des fluides homogènes. Ce manuscrit présente quelques exemples dans lesquels ces effets peuvent soit stabiliser l'écoulement (comme dans le cas des sillages stratifiés) soit le déstabiliser (comme dans le cas des tourbillons stratifiés et de la précession). Enfin, le problème du mélange qui reste encore inexpliqué dans les océans est discuté et une nouvelle méthode numérique permettant de traiter le cas des très faibles diffusivités est présenté.

Le Champ d'Aghajari est situé dans le Dezful, une des zones du Zagros structurée par d'importantes failles de charriage, et contenant la majeure partie des champs d'huile iraniens. La formation calcaire de l'Asmari, datant de la fin Oligocène à début Miocène, constitue l'une des principales couches réservoir du Sud-Ouest de l'Iran, avec un historique de production de plus d'un demi siècle pour plusieurs champs de cette région. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la structure de ce champ, connu principalement par les puits de production,<br />grâce à la première sismique 3D récemment acquise et en intégrant les informations fournies par la sismique de puits. Le problème principal est que le toit et la base du réservoir n'apparaît pas dans la zone à huile du réservoir, où les interfaces sont très pentés. Étant donné l'importance des pendages (environ 40°), les réflexions en sismique de puits zéro offset sont attendues principalement sur les composantes horizontales, ce qui rend impératif le traitement des 3 composantes. Une méthode originale d'orientation des 3 composantes est employée et les résultats confirment la<br />présence de réflecteurs pentés, en accord avec la sismique de surface sur le côté Est de la structure.<br />Plusieurs nouvelles approches d'imagerie ont été appliquées afin de comprendre et résoudre les problèmes d'illumination de la zone réservoir. Nous avons appliqué pour la première fois en terrestre l'approche « Beyond Dix » de CGGVERITAS qui permet de construire un modèle profondeur à partir de pendages et courbure résiduelles move-out mesurée sur les images PSTM (pré-stack time migration). Les résultats migrés en profondeur sont plus précis dans le recouvrement mais la zone réservoir n'est pas améliorée. La raison en est que<br />les images temps ne permettent pas de mesurer les pendages et courbures résiduelles dans la zone d'intérêt en raison d'une part de fort multiples et d'autre part d'u niveau de bruit important.<br />Une nouvelle technique prototype de migration PSTM a été développée à l' IFP, permettant une sélection de l'azimut, du pendage géologique et la recherche automatique du meilleur pendage locale. L'application de ces techniques est très encourageante et montre qu'il est possible d'extraire les réflexions pentées en améliorant le rapport signal sur bruit de la migration elle-même.<br />L'étude additionnelle d'exploration d'une autre structure anticlinale du Zagros, par utilisation combinée de sismique de surface, des données de puits, du PSV et de l'information géologique, illustre comment l'analyse intégrée des données permet d'améliorer la compréhension des structures profondes, et de contribuer à prendre de meilleures décisions de forage, dans la mesure où cette intégration est suffisamment rapide.<br />Au final, dans le Zagros, la sismique de surface est définitivement une bonne méthode d'exploration structurale, mais son application aux études fines de réservoir n'a pas été démontrée, malgré les efforts effectués.

L'utilisation couplée de la géophysique, de traçages d'essais, de bilan hydrique, de la géologie, de l'hydrogéologie, et d'analyse statistique sur les données physico-chimiques a permis de mettre en évidence -des infiltrations de lixiviats comprises entre 31 et 43% à travers une interface naturelle shisteuse, et > à 45% à travers une barrière artificielle géomembranaire, -et un impact localisé sur le réseau piézométrique existant. Les lixiviats récoltés sont traités par lagunage naturel. Suite à l'arrêt des dépôts, l'activité de biodégradation diminue et engendre une baisse de la nocivité des lixiviats bruts, modifiant ainsi le fonctionnement hydrobiologique des lagunes. On note une diversification de l'ensemble des composants de la boucle microbienne assurant le recyclage de la matière. La structuration de la pyramide trophique a permis d'atteindre en dernière lagune, un écosystème viable pour la faune piscicole. Les lixiviats traités subissent une seconde épuration naturelle dans le ruisseau récepteur. Une approche bactériologique des lixiviats, des lagunes et des eaux souterraines a permis d'évaluer la survie des bactéries fécales dans ces différents milieux. Cette décharge ne constitue pas une source importante de bactéries fécales. L'étude de ce site où lixiviats de décharge et apports de fosse septique se mélangent confirme le rôle d'Escherichia coli et des Entérocoques comme marqueurs de contamination fécale assez récente. L'aquifère schisteux s'apparente plus à un aquifère fracturé qu'à une zone imperméable, avec une circulation préférentielle le long de fractures qui n'assure pas une filtration et en font un aquifère vulnérable aux contaminations bactériennes.

Les méthodes tomographiques habituellement employées en sismologie nécessitent des enregistrements de séisme. Or de larges zones sur Terre sont asismiques : faute de séisme nous ne pouvons les étudier avec une bonne résolution. <br /><br />Nous testons ici une approche radicalement différente : il s'agit d'imager la croute terrestre à partir d'enregistrements de bruit de fond sismique. En effet, la corrélation entre deux points A et B d'un bruit blanc généré en tout point du milieu est la fonction de Green complète du milieu entre A et B. On pourrait ainsi mesurer la vitesse des ondes sismiques entre n'importe quel couple de points de la surface. <br /><br />Nous présentons tout d'abord la théorie formalisant le lien entre corrélation de bruit et fonction de Green. Nous étudions ensuite l'origine du bruit de fond sismique sur la bande de période 5-40s afin de voir si il respecte ou non les exigences de la théorie. Après avoir évalué la précision des mesures de la vitesse des ondes de surface réalisées grace aux corrélations de bruit, nous étudions les Alpes. Enfin nous montrons que nos résultats peuvent etre amélioré en<br />recorrélant les corrélations.