Dans la première partie de ce travail de thèse, on a étudié les causes d'anomalie de pesanteur, et plusieurs causes de bruit afin d'en tirer des conclusions sur la faisabilité de certaines applications industrielles qui impliqueraient notamment l'utilisation de gravimètres ou de gradiomètres embarqués. On envisage en particulier la possibilité de constituer un système de prévention des collisions pour la navigation sous-marine, d'utiliser un gravimètre pour détecter des cavités enfouies ou encore d'observer l'anomalie de pesanteur créée par le passage d'une vague de tsunami d'une part, et d'autre part on cherche autant que possible à quantifier en spectre de puissance les bruits classiques rencontrés en gravimétrie embarquée, ainsi que le bruit gravitationnel causé par les vagues. Dans la seconde partie, on décrit la réalisation d'un gravimètre à ondes de matière, qui aura la particularité d'utiliser des atomes piégés au voisinage d'une puce en carbure de silicium. Le développement des gravimètres à ondes de matière est en effet extrêmement prometteur en terme d'exactitude de mesure du champ de pesanteur, mais le principe de réalisation utilisé jusqu'à maintenant implique que la sensibilité limite de l'instrument est proportionnelle à sa taille. D'un autre côté depuis une dizaine d'années des puces constituées de fils conducteurs déposés sur un substrat en silicium ont été développées pour le piégeage et le refroidissement d'atomes. L'utilisation d'une puce à atomes devra permettre de démontrer la possibilité de mesurer le champ de pesanteur avec une sensibilité indépendante de la taille de l'instrument, ce qui mènera à la réalisation d'un gravimètre à atomes froids compact, donc potentiellement utilisable dans un véhicule. Le défi de ce démonstrateur est d'effectuer pour la première fois la séparation spatiale cohérente d'un nuage d'atomes sur une puce atomique, à des fins de métrologie / In the first part of this work causes of gravity anomalies are studied, along with causes of noise. The feasibilities of a few industrial applications involving mobile gravity or gravity gradient meters were hence evaluated. These applications include in particular the realization of a collision avoidance device for underwater navigation, detection of underground void spaces and tsunami wave detection. Classical noises encountered in on-board gravity measurements are studied, as well as the less conventional gravity noise caused by ocean waves. The second part of the work is devoted to the implementation of a matter waves interferometry gravimeter. The particularity of the device is to use atoms trapped in the vicinity of a silicon carbide atom chip. The goal of the project is to reach for the measurement accuracies of current matter waves gravimeters with free falling atoms, with a principle that does not imply a proportionality between the size of the device and its sensitivity limit. We hope to demonstrate a proof of concept that may lead to a new generation of atomic gravimeters that are compact and therefore better suited for mobile uses. Coherent splitting of a non-condensed atom cloud for metrology purposes is probably the main challenge of the project

L'objectif principal de ce travail, a été d'étudier les phénomènes qui influencent la variation de la composition de gaz (CH4- CO2- H2S) pendant l'exploitation industrielle, dans le play Florida-Minero du Bloc Pirineo du Basin de Sabinas au Mexique. Entre le Jurassique et le Crétacé, le Basin de Sabinas dans le Nord-est au Mexique, a été un important réservoir de sédiments, formés principalement par des roches siliciclastiques carbonatées, riches en matière organique d'origine marine et continentale (prédominant). Ce bassin est actuellement un important producteur de gaz méthane dans la région, et les roches mères plus importantes, ils sont très matures, produit d'un enfouissement profond, jusqu'aux 8 km. Variations de flux de chaleur importants pendant l'enfouissement, est la raison principale ont été ce pourquoi le bassin produit seulement du gaz sec. Les effets diagénétique, influencent le fonctionnement du système pétrolier, et sont attribués en grande partie à l’up-lift de l'Orogénie Laramide (49 - 24 Ma). Ces effets en relation avec la circulation de fluides sont des produits de réactions de type TSR, lesquels est étudiés en détail dans ce travail. Afin de comprendre mieux, l'évolution géochimique de la formation, la migration et stocké du gaz, et d'évaluer l'histoire diagenética spécifiquement du bloc Pirineo, ce travail est développé, en utilisant de model géochimique (1D, 2D), et géométrique 3D. Pour calibrer les modèles en température et pression, ils ont été utilisés dans conjoint des données géochimiques et géophysiques. Les techniques pour effectuer cette recherche, ont été les micrographies ; optique, électronique de baillage et rayons X, ainsi come le Rock-Eval 6, dC13 gaz, dC13 y dO18 sur les roches. Les résultats de ces analyses, avec la thermométrie et l'spectrométrie Raman, appliqué à des inclusions fluides, ont permis de définir mieux les étapes de migration d'hydrocarbures et la chronologie de la charge des réservoirs. Les modèles géochimiques ont été calibrés en utilisant dans une première étape, le %Ro et le Bottom Hole Temperature (BHT), et dans une seconde étape la pression/température des inclusions fluides, qui représentent les conditions thermodynamiques des fluides au moment de la migration. Ainsi en fonction des résultats obtenus, nous pouvons définir deux hypothèses; - La première sur le cracking primaire du kerógeno sans migration de pétrole avant l'uplift, et - La deuxième, sur le cracking secondaire avec migration de gaz pendant et après l'uplift, ceci pour la roche mère plus importante (La Casita). Ce phénomène d’up-lift, à provoque une érosion calculée, entre 1.2 et 2.2 Km à cette époque, le système des failles, il resté en fonctionnant comme route de migration d'huile, et ceux-ci ont été stockés dans les réservoirs supérieurs, qui par des effets de l'érosion ont disparu. L'utilisation d'un modèle géochimique en 2D, a été déterminante pour impliquer dans la vitesse de sédimentation et ainsi connaître théoriquement le TOC initiale préservé. L'application de une cinétique mixte, pour produire CH4 et CO2, a été possible en appliquant deux cinétiques qui coïncident avec le comportement de la matière organique dans le bassin (TIII, Pepper et Corvi, 1995 ; CO2, IES 1993). Ceci a permis, pouvoir estimer le potentiel pétrolier initial des roches mères et l'évolution du système pétrolier, en particulier pour l'histoire formation et accumulation de l'huile. Après le Crétacé Moyen, l'huile stocke dans la Formation La Casita, a commencé sa transformation en gaz. La fracturation produit dans l’up-lift, il a permis un dégazage de CO2 d'origine magmatique, et ce dans l'ensemble avec la CH4 accumulé, à migre avec une circulation d'eau. Les réservoirs actuels de gaz, sont dans des pièges anticlinaux, en production actuellement. Il convient d'indiquer, que l'existence d'huile dans des inclusions fluides, dans affleurements minéraux de fluorine, dans les alentours à les Failles La Babia et San Marcos, est interprété en accord avec les résultats du modèle, comme huile migrée pendant l’up-lift, pour le cracking primaire d'une autre roche mère, comme la Formation La Peña. L'interprétation de sections séismiques 2D, on utilise dans la construction de modèles géochimiques 1D - 2D et géométrique 3D. Les résultats de ces modèles sont confirmés et sont comparés, avec les données de production. Ces ressources ont permis d'établir une histoire cohérente de la diagénesis pour le Bloc Pirineo. En accord avec les modèles, ils existent réservoirs de gaz non reportés dans anciens études, cette affirmation est soutenus, par les études pétrographiques et géochimiques de 27 échantillons de carottes, pour 4 puits exploratoires, ainsi que 162 échantillons de cuttings de 15 puits. Ce travail montre la combinaison des ressources pétrographiques, géochimiques et géophysiques, pour effectuer la construction d'un modèle intégral de bassin (1D-2D et 3D), en permettant de proposer une reconstruction régionale du système pétrolier. Dans cette étude on observe l'existence de phénomènes de sulfate réduction, qui provoque la transformation des roches réservoirs dans couvertures et vice versa, ainsi que la production de CO2 et H2S, en fonction des interactions eau-roche. / History the origin, evolution, migration and stock of hydrocarbons in the Sabinas Basin, (NE Mexico): Implication in the integration to petrography, geochemical and geophysics studies in the numeric models 1D, 2D and 3D. The main objective of this work was to study phenomena that influence the time variation of the composition of gases (CH4-CO2-H2S) during the industrial operation of the gas in the Florida-Minero field of the Pirineo Block, in Sabinas basin in the northeast of Mexico. Among the Latter Jurassic and Latter Cretaceous, the Sabinas basin in the northeastern of Mexico, was an important deposit of sediments formed by mainly mixed siliciclastic and carbonate sediments, rich in organic matter of marine and continental origin (predominant). This basin is now a major producer of methane gas in the region and the most important source rocks show the high maturity on the product of a deep burial reaching up to 8 km. Variations of major heat flow during the burial process were the main reason for why just basin produces only dry gas. The diagenetic effects influence in the operation of oil system and are attributed largely to the up-lift of the Laramide Orogeny (49 - 24 ma). These effects in relation to the circulation of fluids are reaction products of TSR, which are studied in detail in this work. To understand better the geochemical evolution of the formation, migration and storage of gas, and to assess the diagenetic history specifically of the Pirineo block, this work was developed using a geochemical modeling (petroleum system 1D, 2D) and geometric 3D. To calibrate the temperature and pressure were used in geochemical and geophysical data set. The geochemical techniques and observation for this investigation were the microscopes; SEM, DRX, and other techniques; Rock-Eval 6, dC13 gas, dC13 and dO18 on rocks. The results of these tests in conjunction with the observations and estimates of thermometry and Raman spectroscopy, applied to fluid inclusions, allowed defining better the stages of hydrocarbon migration and the chronology of the load of the reservoir rocks. The geochemical models were calibrated using as a first step, the% Ro and the BHT, and a second stage the pressure / temperature of the fluid inclusions, which represents the thermodynamic conditions of the fluids at the time of the migration. So based on the obtained results, we can define two hypotheses; - One on the primary cracking of the kerogen without petroleum migration before the uplift, and - A secondary cracking with gas migration during and after the uplift, this for the most important source rock La Casita. This phenomenon of up-lift bring a calculated erosion, between 1.2 and 2.2 km. To this time, the system of faults remained working like route of oil migration, and these were stored in the upper reservoir, which subsequently effects of erosion disappeared. The use of a geochemical model in 2D, was crucial to infer the sedimentation velocity, and thus to know theoretically initially the TOC preserved. The application of mixed kinetics to produce CH4 and CO2, it was possible to apply two kinetic that match with the behavior of organic matter in the basin (TIII, Pepper and Corvi, 1995; CO2, IES, 1993). This allowed estimating the initial petroleum potential of source rocks and petroleum system evolution, particularly the history of formation and accumulation of the oil and gas. After the Middle Cretaceous, the oil trapped in La Casita formation began its transformation into a gas. Fracturing of the up-lift product allowed a migration of CO2 of magmatic origin and this altogether with the accumulated CH4 migrated with a water circulation. The reservoirs rocks of these gases are found in anticline traps, currently exploited. It should be noted that the existence of oil in fluid inclusions in mineral outcrops of fluorite in the neighborhoods to the La Babia and San Marcos faults, is interpreted according to the model results as oil migrated in primary cracking of other bedrock is La Peña Formation, during the up-lift. The interpretation of 2D seismic sections was used in geochemical models and geometric 3D. The results of these models are confirmed and compared with production data. These resources allowed establishing a coherent history of diagenesis for the Pirineo block. According to the models, there are no reported gas reservoirs in the reports; this affirmation is supported by petrographic and geochemical studies of 27 samples for 4 exploratory wells, as well as 162 samples of cuttings from 15 wells. This research shows the combination of the petrographic, geochemical and geophysical resources, for the construction of a comprehensive model (1D-2D and 3D), allowing to propose a regional reconstruction of the petroleum system. In this study we observed the existence of sulfate phenomena reduction, causing the transformation of the rocks-store in stamps and vice versa, as well as the production of CO2 and H2S, based on water-rock interactions. / El objetivo principal de este trabajo, fue el estudiar los fenómenos que influyen, sobre la variación con el tiempo de la composición de gases (CH4-CO2-H2S), durante la explotación industrial del gas, en el campo Florida-Minero, del Bloque Pirineo de la Cuenca de Sabinas en México. Entre el Jurasico Tardío y el Cretácico, la Cuenca de Sabinas en el Noreste de México, fue un importante depósito de sedimentos, formados principalmente por rocas siliclasticas carbonatadas, ricos en materia orgánica de origen marino y continental (predominante). Esta cuenca es actualmente un importante productor de gas metano en la región, y las rocas madres mas importantes, muestran una sobre madurez, producto de un sepultamiento profundo que alcanzo hasta los 8 km. Variaciones de flujo de calor importantes durante el enterramiento fueron la razón principal por lo que la cuenca produce solamente gas seco. Los efectos diagenéticos influyen en el funcionamiento del sistema petrolero y son atribuidos en gran parte al up-lift de la Orogenia Laramide (49 – 24 Ma). Estos efectos en relación con la circulación de fluidos son productos de reacciones de tipo TSR, los cuales son estudiados en detalle en este trabajo. Con el fin de comprender mejor, la evolución geoquímica de la formación, migración y almacenado del gas, y de evaluar la historia diagenética específicamente del bloque Pirineo, este trabajo se desarrollo, utilizando un modelado geoquímico (1D, 2D), y geométrico 3D. Para calibrar los modelos en temperatura y presión se utilizaron en conjunto datos geoquímicos y geofísicos. Los técnicas geoquímicas y de observación para realizar esta investigación fueron las microscopias; óptica, electrónica de barrido y rayos X, así como el análisis Rock-Eval 6, dC13 gas, dC13 y dO18 sobre las rocas. Los resultados de estos análisis en conjunto con las observaciones y estimaciones de la termometría y espectrometría Raman, aplicado a inclusiones fluidas, permitieron definir mejor las etapas de migración de hidrocarburos y la cronología de la carga de los almacenes. Los modelos geoquímicos fueron calibrados utilizando en una primera etapa, el %Ro y el BHT, y en una segunda etapa la presión/temperatura de las inclusiones fluidas, que representan las condiciones termodinámicas de los fluidos en el momento de la migración. Así en función de los resultados obtenidos, podemos definir dos hipótesis; - una sobre el cracking primario del kerogeno sin migración de petróleo antes del uplift, y - un cracking secundario con migración de gas durante y después del uplift, esto para la roca madre más importante La Casita. Este fenómeno de up-lift provoco una erosión calculada, entre 1.2 y 2.2 Km. A esta época, el sistema de fallas permaneció funcionando como ruta de migración de aceite, y estos se almacenaron en los reservorios superiores, que posteriormente por efectos de la erosión desaparecieron. La utilización de un modelo geoquímico en 2D, fue determinante para inferir en la velocidad de sedimentación y así conocer teóricamente el TOC inicial preservado. La aplicación de una cinética mixta para producir CH4 y CO2, fue posible al aplicar dos cinéticas que coinciden con el comportamiento de la materia orgánica en la cuenca (TIII, Pepper y Corvi, 1995; CO2, IES, 1993). Esto permitió, poder estimar el potencial petrolero inicial de las rocas madres y la evolución del sistema petrolero, en particular para la historia de formación y acumulación del aceite. Después del Cretácico Medio, el aceite entrampado en la Formación La Casita comenzó su transformación en gas. La fracturación producto del up-lift permitió un dégazage de CO2 de origen magmático y este en conjunto con el CH4 acumulado migro con una circulación de agua. Los almacenes de estos gases se encuentran en trampas anticlinales, explotados actualmente. Cabe señalar que la existencia de aceite en inclusiones fluidas en afloramientos minerales de fluorita en las cercanías a las fallas La Babia y San Marcos, se interpreta de acuerdo a los resultados del modelo como aceite migrado durante el up-lift, durante el cracking primario de otra roca madre, como la Formación La Peña. La interpretación de secciones sísmicas 2D, se utilizo en la construcción de modelos geoquímicos 1D - 2D y geométrico 3D. Los resultados de estos modelos son confirmados y comparados con los datos de producción. Estos recursos permitieron establecer una historia coherente de la diagénesis para el bloque Pirineo. De acuerdo a los modelos, existen reservorios de gas no reportados en los informes, esta afirmación esta sostenida, por los estudios petrográficos y geoquímicos de 27 muestras de núcleos para 4 pozos exploratorios, así como 162 muestras de esquirlas de 15 pozos. Este trabajo muestra la combinación de los recursos petrográficos, geoquímicos y geofísicos, para realizar la construcción de un modelo integral de cuenca (1D-2D y 3D), permitiendo proponer una reconstrucción regional del sistema petrolero. En este estudio se observo la existencia de fenómenos de sulfato reducción, que provocan la transformación de las rocas almacén en sellos y viceversa, así como la producción de CO2 y H2S, en función de las interacciones agua-roca.

Les rejets sulfurés de la mine abandonnée de Kettara, située à 30 km au Nord-Nord-Ouest de Marrakech (Maroc), sont directement entreposés sur un substratum schisto-gréseux fracturé. D’une superficie d’environ 16 ha, ils constituent une réelle source de pollution pour l’écosystème local en particulier à cause du Drainage Minier Acide (DMA) vers les eaux de surface et de la nappe phréatique. Les analyses physico-chimiques des eaux souterraines montrent qu’elles sont enrichies par les sulfates, le calcium et le magnésium. Le processus d’évaporation-dissolution est responsable sur les variations des concentrations en éléments majeurs au niveau des eaux souterraines. Le projet de réhabilitation du site minier de Kettara prévoit dans l’un de ses axes de minimiser l’effet DMA par neutralisation à l’aide de dépôts stériles riches en carbonates issus de l’extraction des phosphates de la mine de Youssoufia voisine. Ces derniers seront utilisés à la fois comme amendement des rejets miniers acides et comme couverture évapo-transpirante (barrière capillaire). Les levés géophysiques réalisés ont permis d’imager la structure interne du parc à rejets miniers et d’estimer leur volume (462 400 m3). Les résultats obtenus ont mis en évidence la présence, par endroits, de couloirs fracturés qui constituent des drains privilégiées pour le transfert du DMA vers les eaux souterraines. Le modèle hydrodynamique et de transport de DMA a été élaboré en se basant sur une approche inverse et sur la démarche du modèle équivalent continu (EC). Les résultats des simulations du transport du DMA en cas de réhabilitation du site, ont montré que la pollution diminue d’une façon significative et à long terme. / The Kettara site (Morocco) is an abandoned pyrrhotite ore mine in a semi-arid environment. The site contains more than 3 million tons of mine waste that were deposited on the surface without concern for environmental consequences. Tailings were stockpiled in a pond, in a dyke, and in piles over an area of approximately 16 ha and have generated acid mine drainage (AMD) for more than 29 years. Investigation results show that the hydrochemistry of water samples is characterized by the relatively significant enrichment in Ca2+, Mg2+ and SO 42-. Seasonal variations in major ion concentrations were partly attributed to dissolution/precipitation processes. The rehabilitation scenario being investigated at the Kettara mine involves using fine alkaline phosphate waste (APW) as both an amendment and a ‘store and release’ (SR) covert. To facilitate the success of this rehabilitation project, it was important to determine the nature of the geological substrate of the tailings pond and the internal structure of the mine wastes, and to estimate the volume of tailings by determining the thickness of the tailings layer in the tailings pond. The surveys geophysics realized made it possible to image the internal structure of the park with mining rejections and to estimate their volume (462 400 m3). The results obtained show the presence of fractured zones that constitute privileged drains for the transfer of the DMA to groundwater. The simulations results of the transport of the AMD in the event of rehabilitation of the site, showed that pollution decreases in a significant and long-term way.

Les capteurs distribués à fibre optique (aussi nommés DAS) sont une nouvelle technologie d'acquisition sismique qui utilise des câbles traditionnels à fibre optique pour fournir une mesure de la déformation le long du câble. Ce système d'acquisition est largement utilisé dans les profils sismiques verticaux (PSV). Le couplage est un facteur clé qui a une grande influence sur la qualité des données. Alors que, pour les acquisitions PSV, les géophones sont attachés à la paroi du puits, le câble de fibre optique est soit cimenté derrière le tubage, soit attaché avec des pinces rigides au tubage ou simplement descendu dans le puits. Cette dernière stratégie de déploiement donne généralement le plus petit rapport signal sur bruit, mais est considérée comme la plus rentable en particulier pour les installations dans des puits existants. Cette thèse porte sur la problématique du couplage du DAS quand le câble est simplement descendu dans le puits. Nous développons des modèles numériques pour analyser les données réelles. L'interprétation de ces résultats nous permet de conclure qu'un contact immédiat du câble avec la paroi du puits avec une force de contact calculée est nécessaire pour fournir des bonnes conditions de couplage. Sur la base de ces résultats, nous proposons des solutions pour optimiser davantage les acquisitions avec le système DAS. Nous modifions numériquement la force de contact et les propriétés élastiques du câble DAS et démontrons comment ces modifications peuvent améliorer mais aussi détériorer la qualité des données. Enfin, nous proposons un algorithme de détection du couplage qui permet d'assurer l'acquisition de données réelles avec un rapport signal / bruit élevé. / Distributed Acoustic Sensing (DAS) is a new technology of seismic acquisition that relies on traditional fibre-optic cables to provide inline strain measurement. This acquisition system is largely used in vertical seismic profiling (VSP) surveys. Coupling is a key factor influencing data quality. While geophones and accelerometers are clamped to the borehole wall during VSP surveys, the fibre cable is either clamped and then cemented behind the casing, or attached with rigid clamps to the tubing, or loosely lowered into the borehole. The latter deployment strategy, also called wireline deployment, usually acquires the lowest level of signal but is regarded as the most cost-effective in particular for existing well installations. This PhD thesis addresses the problematic of coupling of DAS using wireline deployment. We develop numerical models that are used to analyse real data. The interpretation of these results allows us concluding that an immediate contact of the cable with the borehole wall with a computed contact force is required to provide good coupling conditions. Based on those findings, we propose solutions to further optimise DAS acquisitions. We numerically modify the contact force and the elastic properties of the DAS cable and show how these modifications can improve but also deteriorate data quality. Finally, we propose a coupling detection algorithm that is applied to real datasets and allows ensuring the acquisition of data with a high signal-to-noise ratio.

La propagation sismique dans les milieux poreux est classiquement associée à des phénomènes de dispersion et d’atténuation des ondes sous l’effet des mouvements fluides. Dans certaines conditions, celle-ci peut également être associée à une conversion d’énergie sismique en énergie électromagnétique dite « sismoélectrique ». La théorie des phénomènes sismoélectriques combinant la théorie de l’électrocinétique à la poroélasticité de Biot, repose en grande partie sur les développements de Pride (1994). Sur la base de ces développements théoriques, Pride et Haartsen (1996) relient le champ électrique cosismique à l’accélération sismique qui le génère par une fonction de transfert. Nous proposons une étude quantitative des couplages sismoélectriques en vue de valider la théorie de Pride et sa généralisation en milieu non saturé. Dans ce but, nous avons développé une expérience en laboratoire sur un sable de quartz non-consolidé, menée dans la gamme du kilohertz sur la base d’un dispositif d’acquisition électrique modulable. Deux méthodes de traitement des signaux sont proposées, l’une temporelle, l’autre spectrale, permettant d’obtenir une analyse complète des vitesses de phase, atténuations et fonctions de transfert. Les expériences réalisées se sont focalisées sur l’étude du rôle de la conductivité du fluide et de la saturation en eau dans le phénomène sismoélectrique cosismique. Une étude time-lapse a ainsi pu être réalisée dans des situations de changements de salinité et de teneur en eau. Dans tous les contextes, l’étude quantitative des rapports d’amplitudes des champs sismoélectriques et sismiques E/ü montre une bonne corrélation avec les prédictions théoriques. Par ailleurs, l’étude des variations de saturation dans une gamme allant de la saturation résiduelle en eau (Sw = 0.3) à la saturation totale, montre que: i) les atténuations et fonctions de transfert ont des comportements reliés à la distribution des fluides qui influencent fortement les propriétés mécaniques du milieu ; ii) une inversion de polarité du champ sismoélectrique peut être observée dans le cas très particulier des milieux non consolidés. / Seismic propagation within porous media is usually associated with wave attenuation and dispersion phenomena related to fluid flow. Under certain circumstances, it may also be correlated to a conversion of seismic into electromagnetic energy known as “seismoelectric”. The understanding of seismoelectric phenomena, combining the theory of electrokinetic to Biot’s poroelasticity, relies mainly on the formulation by Pride (1994). On basis of these theoretical developments, Pride and Haartsen (1996) defined a transfer function expressing the link between the coseismic seismoelectric field and the seismic acceleration at its origin. We propose a quantitative analysis of coseismic seismoelectric couplings with the purpose of validating Pride’s theory and generalizing it to partially saturated media. With this aim in view we developed a laboratory experiment involving an adjustable device for electric acquisitions, conducted within the kilohertz range on unconsolidated quartz sand. Experimental data were subsequently processed in both time and frequency domains, enabling a full analysis that embraces phase velocities, attenuations and transfer functions. The conducted experiments focused on the impact of fluid conductivity and water saturation with regard to the coseismic seismoelectric phenomenon. Time-lapse monitoring were accordingly run under varying salinity or water content. In all scenarios, the quantitative analysis of the electric-to-seismic amplitude ratio E/ü appeared in good agreement with theoretical projections. Moreover, investigations of saturation variations, ranging from the residual water saturation (Sw = 0.3) to full saturation, showed that: i) the behavior of attenuations and transfer functions are directly related to fluid distribution, that greatly impacts the mechanical properties of the medium; ii) in the very peculiar case of unconsolidated media, polarity inversion of the coseismic seismoelectric field may be experienced.

Afin de cartographier la structure souterraine des volcans et détecter des ressources géothermiques de haute température, on utilise souvent l’imagerie de résistivité électrique. La résistivité électrique des volcans est affectée par plusieurs facteurs: volume et salinité de l’eau interstitielle, abondance de minéraux conducteurs, température de la roche et présence de magma. Ce travail de thèse tente de contraindre l'interprétation des structures de résistivité électrique autour des volcans actifs, afin de développer des outils innovants pour l'exploration des ressources géothermiques. La contribution des minéraux conducteurs est au cœur de la thèse: conducteurs ioniques solides (minéraux argileux, en particulier la smectite) ou semi-conducteurs électroniques (pyrite, oxydes de fer), mais l’influence de la porosité, de la salinité, de la température et de la présence de magma est aussi étudiée. La thèse utilise le volcan Krafla comme terrain d’étude pour affiner les interprétations des structures de résistivité électriques, du fait de la disponibilité de carottes, de données, de bibliographie et d’infrastructure. La smectite et la pyrite sont formées par altération hydrothermale des roches volcaniques et témoignent ainsi des convections hydrothermales. Les oxydes de fer en revanche sont plutôt formés lors de la cristallisation du magma et sont dissous lors des circulations hydrothermales. La contribution de la smectite à la conductivité électrique de roches volcaniques, saturées en eau à différentes salinités, est d'abord étudiée en laboratoire (à température ambiante) par spectroscopie d’impédance électrique « résistivité complexe ». Des variations non linéaires de la conductivité électrique à 1 kHz avec la salinité sont observées et discutées. La conduction interfoliaire est suggérée comme un mécanisme important par lequel la smectite conduit le courant électrique. L'influence de la pyrite et des oxydes de fer sur les effets de polarisation provoquée est ensuite analysée en utilisant l'angle de phase de l'impédance, qui dépend de la fréquence. Un angle de phase maximal supérieur à 20 mrad est attribué à la pyrite si la roche est conductrice et aux oxydes de fer si la roche est résistive. L'angle de phase maximal augmente d'environ 22 mrad pour chaque pourcent de pyrite ou d'oxyde de fer. Ces résultats de laboratoire en domaine fréquentiel sont appliqués à l’interprétation de tomographies de résistivité complexe sur le terrain en domaine temporel. Smectite, pyrite et oxydes de fer ont pu être identifiés jusqu'à 200 m de profondeur. La température in-situ, plus élevées qu’en laboratoire, semble augmenter la conductivité de la smectite. De manière générale, la tomographie de résistivité complexe est recommandée comme méthode complémentaire aux sondages électromagnétiques pour l'exploration géothermique. / Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for hightemperature geothermal resources. The electrical resistivity of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of magma. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures around active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of geothermal resources. I focus on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides), but I also investigate the effects of porosity, salinity, temperature and presence of magma. I use Krafla volcano as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. Smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks and thus witness hydrothermal convection. On the other hand, iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma and dissolved by hydrothermal fluids. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic rocks saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy “complex resistivity”. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and discussed. Interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on induced polarization effects is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. A maximum phase-angle higher than 20 mrad is attributed to pyrite if the rock is conductive and to ironoxides if the rock is resistive. The maximum phase-angle increases by about 22 mrad for each additional per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to 200 m. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration.

La propagation d'ondes sismiques dans les milieux poreux contenant des fluides engendre des phénomènes<br />électromagnétiques dus à des couplages électrocinétiques à l'échelle des pores. Ces effets sont perçus comme une<br />nouvelle méthode de caractérisation des milieux poreux avec des applications potentiellement importantes en<br />géophysique de réservoir. Afin de mieux comprendre les mécanismes de conversion d'énergie sismique en<br />énergie électromagnétique, nous avons construit une expérience analogique dans le Laboratoire Souterrain à Bas<br />Bruit (LSBB, Rustrel). Le dispositif expérimental est constitué d'une colonne cylindrique (1 m de haut et 8 cm de<br />diamètre) remplie de sable de Fontainebleau et équipée d'accéléromètres piézoélectriques, d'électrodes non<br />polarisables et de magnétomètres à induction. La comparaison des réponses sismo-électromagnétiques en milieu<br />sec ou humide permet de confirmer l'origine électrocinétique des phénomènes observés. Les différences de<br />vitesse apparente des champs sismique et électrique (1250 m/s) d'une part, et magnétique (800 m/s) d'autre part,<br />montrent que le champ sismo-magnétique est couplé aux modes de propagation transverses. Cette étude<br />s'enrichit par ailleurs d'une série d'observations du champ sismo-électrique qui soulignent l'intérêt de telles<br />mesures sur le terrain. Ce travail montre également la nécessité de poursuivre le développement de la théorie des<br />effets électrocinétiques en milieu partiellement saturé.

Résumé non disponible

Ce mémoire concerne le développement de méthodes de traitement, de mise en relation et d'interprétation de données des Sciences de la Terre. Partant du constat que, de par leur nature complexe (non-stationnarité, multi-échelles), les signaux géophysiques-géologiques gagneraient beaucoup à être étudiés à l'aide de méthodes non-stationnaires, nous proposons d'utiliser des méthodes d'analyse basées sur le formalisme mathématique de la transformation en ondelettes continues. Présentées et illustrées sur des exemples synthétiques et naturels, les propriétés d'analyse locale et multi-échelles des ondelettes ouvrent de nombreuses perspectives, inaccessibles avec les méthodes classiques du traitement du signal. En particulier, les techniques développées à une ou deux dimensions visent à éclater toute l'information dans une représentation « espace-échelle », propice à dévoiler la dynamique complexe, la nature multi-échelles et/ou les interactions au sein du système étudié. Ne nécessitant aucune hypothèse sur la nature des signaux, ces techniques sont polyvalentes et permettent de reconnaître les processus agissant sur divers systèmes. L'analyse en ondelette a été appliquée à l'étude de la paléointensité relative du champ magnétique terrestre. La ré-inspection des enregistrements magnétiques du site Ocean Drilling Program 983, caractérisés par des composantes significatives à des fréquences correspondant aux paramètre orbitaux de la Terre, a permis d'opter pour une origine lithologique (climatique) plutôt que pour l'expression de la géodynamo elle-même. On confirme ainsi la représentativité de l'enregistrement de la paléointensité et sa possibilité à être corrélé avec d'autres enregistrements mondiaux. Dans le cadre de la surveillance sismique, nous avons développé un algorithme de pointé automatique de phases sismiques. Utilisées comme des filtres passe-bande naturellement bien localisés en temps et en fréquence, nous avons montré que les ondelettes permettent de détecter, de distinguer et de pointer les séismes proches et lointains, en rejetant les pointés incertains et le bruit. Sur les bases de développements méthodologiques liés à l'étude bi-dimensionnelle des champs de galaxies et des champs de fractures, nous avons développé une nouvelle méthode qui, appliquée aux organisations minérales de sections de granite, a permis de détecter et de quantifier en termes de taille, de forme, d'orientation et de distribution spatiale, les différents niveaux d'organisation minérale. A partir de cette approche, on peut étudier le comportement complexe d'un magma –milieu biphasé solide liquide- qui cristallise tout en se déformant, et ainsi, mieux cerner l'histoire dynamique des massifs granitiques. Appliquée à la distribution spatiale de la séquence de répliques du séisme d'Arudy de 1980 (M=5.1, Pyrénées Orientales), la méthodologie précédente a permis d'identifier des plans potentiels de rupture. La combinaison de ces résultats avec les mécanismes au foyer disponibles et avec les marqueurs géologiques et géomorphologiques a conduit à proposer et valider un modèle tectonique local sous la forme d'une terminaison en queue de cheval d'orientation E-W. Les perspectives ouvertes par ce mémoire laissent présager d'un champ énorme de développement d'outils et de réflexions nouvelles. Même si les problèmes abordés dans cette thèse ont concerné exclusivement des données mono-dimensionnelles et des données binaires (noir et blanc) bi-dimensionnelles, la voie est ouverte pour étendre les méthodologies précédentes à des données bidimensionnelles non-binaires (couleur) et tri-dimensionnelles.

La tectonique des plaques repose sur le postulat que les plaques sont rigides et que l'essentiel des déformations se concentre sur leurs frontières, généralement étroites en domaine océanique. Plusieurs plaques océaniques semblent y déroger. La plaque Indo-Australienne montre par exemple une forte sismicité en dehors de ses frontières, qui traduit une déformation intraplaque intense. Les mécaniques au foyer expriment une déformation compressive dans la partie Est de la plaque, et une déformation extensive sur le flanc Est de la dorsale centrale Indienne et sur le flanc Nord de la dorsale Sud Est Indienne. L'inversion de données cinématiques, qui supposent des plaques rigides, abouti au concept de plaques composites composées d'éléments rigides séparés par des limites larges et diffuses. En utilisant l'exemple de la plaque Indo-Australienne, ce travail cherche à savoir comment se comporte la lithosphère océanique quand elle est soumise à des contraintes horizontales et le rôle joué par les structures préexistantes comme les plateaux sous-marins ou les zones de fracture fossiles sur la déformation. La première partie de ce travail s'est intéressée à la sismicité de faible magnitude détectée par un réseau temporaire de 3 hydrophones déployés dans l'océan Indien Austral. L'objectif était de mieux identifier et localiser les structures actives des zones déformées. En raison de la géométrie du réseau, ces données apportent peu d'informations nouvelles mais confirment le rôle des zones de fracture fossiles dans la déformation des domaines en extension. Par ailleurs, la découverte, sur des zones de fracture actives des dorsales Est Pacifique et Juan de Fuca, de précurseurs sismiques nous a incités à en rechercher sur nos données. Un précurseur sismique est défini comme un événement se produisant dans un rayon de 100 km autour d'un événement majeur, quelques heures à quelques jours avant celui-ci. L'analyse d'une sélection d'évènements détectés par le réseau permanent du traité international de non-prolifération nucléaire (OTICE), dont la localisation est très précise, n'a pas permis de reconnaître de tels précurseurs. En revanche, notre réseau temporaire détecte de nombreux évènements qui pourraient y être assimilés, si leur localisation, basée sur seulement 3 hydrophones, pouvait être améliorée. La combinaison des données de ces 2 réseaux serait nécessaire pour progresser sur ces deux questions. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à la modélisation de la déformation de la plaque Indo-Australienne, afin notamment de préciser le rôle de structures préexistantes, reliefs ou zones de fracture fossiles remobilisées, comme en atteste la sismicité. Pour aborder cette question, nous avons testé deux outils " ADELI " (Hassani et al., 1997) et " SHELLS " (Bird, 1989; Bird et Kong, 1994; Kong et Bird, 1995; Bird, 1999). Le second code numérique s'est avéré le plus adapté. Ce modèle décompose les plaques en éléments finis triangulaires sur la sphère, tient compte de l'âge de la lithosphère considérée, et peut prendre en compte des zones de faiblesse (zones de fracture) et des reliefs. A partir de conditions aux limites en vitesse et d'hypothèses sur la rhéologie de la lithosphère, le modèle calcule l'état des contraintes et des déformations de la plaque considérée. La plaque Indo-Australienne présentant des zones déformées disjointes, nous avons d'abord modélisé chacune d'elles séparément : la zone en extension, entre les plaques Inde et Capricorne est découpée par un réseau de zones de fracture oblique par rapport à l'orientation générale Nord-Sud de la dorsale Centrale Indienne et comprend le relief des Chagos ; la zone en extension entre les plaques Capricorne et Australie est découpée par un réseau de zones de fracture perpendiculaires à l'orientation générale Ouest-Nord-Ouest Est-Sud-Est de la dorsale Sud-Est Indienne et comprend le plateau océanique de Saint-Paul et Amsterdam ; enfin, la zone en compression entre les plaques Inde, Capricorne et Australie, est caractérisée par une lithosphère ancienne découpées par des zones de fracture Nord-Sud dans les bassins de Wharton et Indien Central et la ride du 90ème Est. Les conditions aux limites de ces modèles sont issues d'une approche cinématique de plaque rigide. Pour intégrer les limites de plaques diffuses sur les bords des maillages, nous avons utilisé la notion de bord libre, cela nous a permis de reproduire les déformations dans ces trois régions sans imposer de limites particulières entre les plaques. Enfin, nous avons réuni les trois maillages afin de modéliser la plaque Indo-Australienne dans son ensemble. Les modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance des structures préexistantes comme le banc des Chagos qui concentre la déformation au niveau de la limite diffuse entre les plaques Inde et Capricorne où des séismes de magnitude 8 se sont produits. Les zones de fracture jouent par leur réactivation un rôle essentiel, notamment à l'Est de la ride du 90ème Est, où elles provoquent des comportements différents entre le bassin Indien Central où la déformation est marquée essentiellement par de la compression dans une direction Nord-Sud et le bassin de Wharton, où du décrochement sénestre se manifeste en plus de la compression. Nos modèles prédisent des taux d'extension et de raccourcissement proches d'études précédentes avec un éloignement de l'Inde par rapport à la plaque Capricorne d'environ 2 mm/an dans une direction Nord-Sud, et un raccourcissement de l'ordre de 11,5 mm/an entre l'Australie et l'Inde dans une direction Nord-Ouest Sud-Est. Au premier ordre, le concept de plaque composite semble valide pour la plaque Indo-Australienne, cependant la répartition des zones diffuses s'avère plus complexe que prévue.