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 géothermie est considérée comme une source d'énergie propre et inépuisable à échelle humaine. Actuellement, le rendement des centrales géothermiques est limité à l'exploitation de fluides de températures inférieures à 350 °C. L'association de l'activité tectonique et volcanique aux dorsales océaniques fait de l'Islande un lieu où l'extraction de fluides supercritiques (T> 375 °C) peut être envisagée. Cette exploitation pourrait multiplier par dix la puissance électrique délivrée par le système géothermal. Ces fluides peuvent-ils circuler dans la croûte océanique ? Ce travail propose de contraindre les observations géophysiques et de prédire le fonctionnement des réservoirs géo-hydrothermaux de très haute température par l'étude des propriétés physiques des basaltes. La première approche est focalisée sur l'étude de roches ayant accueilli une circulation hydrothermale par le passé. L'étude de ces roches au site ODP 1256, montre que leur porosité est associée à la présence de minéraux d'altération hydrothermale du facies amphibolite (T> 500 °C). La seconde approche a consisté à recréer, en laboratoire, les conditions des systèmes hydrothermaux, à très haute température, afin de prédire les propriétés mécaniques et électriques des basaltes dans ces conditions. Les résultats mécaniques indiquent que la transition fragile/ductile, souvent associée à une forte décroissance de perméabilité, intervient à une température d'environ 550 °C. La mise en place d'une cellule de mesure de la conductivité électrique de haute température a fourni les premiers résultats utiles à l'analyse des données géophysiques. Appliqués aux conditions de la croûte basaltique Islandaise, ces résultats indiquent que des fluides hydrothermaux pourraient circuler au moins transitoirement à l'état supercritique jusqu'à ~ 5 km de profondeur.

Le Buntsandstein, localisé dans le graben du Rhin supérieur, apparait comme une cible intéressante pour la géothermie, associant une formation argilo-gréseuse à l'anomalie thermique régionale. Cette étude vise à caractériser les propriétés pétrophysiques de ces grès ainsi que la fracturation les affectant, dans le but de fournir un modèle conceptuel de la formation qui servira de guide pour son exploitation futur. Les faciès sédimentaires sont composés par cinq faciès pétrographiques (grès propres, grès à enrobage argileux, grès à matrice argileuse, grès silicifiés et grès à ciment carbonaté), qui se répartissent dans des proportions variables et contrôlent une partie des propriétés pétrophysiques mesurées à l'échelle matricielle. La comparaison des données pétrophysiques, des données macroscopiques issues d'une analyse de gradients de température, des données de modélisation et de la fracturation permet de construire un modèle de circulation dans le réservoir. Ces analyses mettent en avant le rôle de la zone endommagée des zones de faille pour le transfert de fluides à grande échelle, mais aussi celui de deux faciès sédimentaires : les grès déposés dans un environnement de Playa Lake et fluvio-éolien. L'analyse de différents affleurements montre que la fracturation évolue en fonction de la situation dans la pile sédimentaire et en fonction de la situation par rapport aux accidents tectoniques majeures.

Cette thèse de doctorat a pour objet l'étude d'échangeurs géothermiques hélicoïdaux implantés dans le proche sous-sol. Ces objets font partie de la famille des échangeurs géothermiques compacts, et sont une alternative aux sondes verticales et aux nappes horizontales plus couramment utilisées pour chauffer et rafraîchir des bâtiments (géothermie sèche, très basse enthalpie). L'étude à la fois théorique et expérimentale de ces échangeurs mène à différents modèles, numériques comme analytiques, permettant de prévoir le comportement en température du sous-sol comme du fluide caloporteur. Des résultats de simulation intégrant le couplage aux bâtiments sont présentés, et des outils logiciels ont été créés pour aider au dimensionnement d'installations. De surcroît, un "test de réponse thermique" adapté à ces échangeurs a été développé, afin de permettre d'estimer les propriétés thermiques moyennes du sous-sol et la résistance thermique liée à l'installation de l'échangeur. Enfin, des conseils pratiques sont donnés, dont le but est d'obtenir les températures d'utilisation les mieux adaptées aux pompes à chaleur, et en conséquence d'améliorer les coefficients de performance du système.

Les données de VSP multi-source/multi-offset acquises en 2007 sur le site géothermique de Soultz-sous-Forêts sont traitées et analysées. Des géophones placés dans les puits GPK3 et GPK4 entre 3 et 5 km de profondeur ont enregistré les ondes sismiques émises par deux vibrateurs placés en 24 positions de tir réparties dans un rayon de 5 km autour des puits. Après corrélation des enregistrements avec la source associée à chaque vibrateur, les différentes composantes du champ d'onde sont séparées par filtrage en vitesse apparente. La comparaison des résultats obtenus par filtrage médian ou dans le domaine FK montre des signaux similaires. Un modèle de vitesse est établi pour pouvoir calculer les temps d'arrivée. Il comporte deux couches sédimentaires sur le socle granitique et des interfaces planes pentées. Le champ d'onde descendant de forte vitesse apparente est interprété comme des réflexions sur des structures subverticales autour des puits. Leur pendage, azimut et extension latérale sont déterminés en ajustant les temps de trajet observés et calculés par tracé de rayons 3D. Les structures à pendage vers l'ouest connues par les observations en forage et la microsismicité sont retrouvées. Une structure antithétique nouvelle est déterminée. Nos résultats permettent de compléter le modèle structural de la fracturation dans le réservoir géothermique. / The vertical seismic profiles (VSP) acquired in 2007 with multi-component geophones placed at depths between 3 and 5 km in two wells at the Soultz-sous-Forêts geothermal site are processed and analyzed. The multi-offset, multi-azimuth VSP were acquired with two simultaneously vibrating sources located in 24 distinct shot positions. After correlation of the raw records with the proper sweep sequence, the different components of the wavefield are separated according to their apparent velocities. The results obtained by median or FK filtering are similar. A velocity model is created in order to compute traveltimes. Two layers in the sediments above the granitic basement are separated by plane dipping interfaces. The downgoing waves having a fast apparent velocity are interpreted as reflections on steeply dipping reflectors. The dip, the azimuth and the lateral extent of these structures away from the well are determined by fitting the observed traveltimes with those computed by 3D ray tracing. The west dipping structures already known from borehole logging and the trends of microseismicity are constrained. A new antithetic structure is determined. Our results improve the structural model of fracturation in the geothermal reservoir.

Le développement de l’énergie géothermique a conduit à l’exploitation de ressources établies dans des contextes géologiques et géodynamiques très variés. L’exploration géophysique de ces réservoirs complexes nécessite l’utilisation de plusieurs méthodes d’imagerie complémentaire. Ce travail de thèse porte sur l’exploration d’une ressource géothermique située en contexte de socle fracturé dans le Massif Central français par magnétotellurique, tomographie de bruit ambiant et gravimétrie.La magnétotellurique est une méthode d’imagerie 3D résolvante qui est sensible à la présence d’eau et aux argiles d’altération hydrothermale mais limitée par sa couverture spatiale. La tomographie de bruit sismique présente une bonne résolution verticale mais ne résout pas les variations horizontales de vitesse. Cette méthode est sensible aux variations des propriétés mécaniques des roches et donc aux milieux fracturés. Enfin la gravimétrie apporte une contrainte sur les variations lithologiques et possède une bonne résolution latérale mais une faible résolution verticale.Nous présentons une méthode d’inversion conjointe des données sismiques et gravimétriques sous contrainte d’un modèle de résistivité obtenu par inversion magnétotellurique indépendante. L’inversion conjointe nécessite de définir des couplages entre modèles. Par absence de connaissance a priori de relations pétrophysiques, nous avons couplé les modèles de densité, de résistivité et de vitesse avec une loi qui contraint les paramètres à être corrélés en moyenne. Cette stratégie vise à faire ressortir des relations caractéristiques des objets géologiques de la ressource géothermique.Cette méthodologie d’inversion conjointe a été testée sur des modèles synthétiques. L’application aux données réelles acquises dans le Massif Central a permis de définir une zone en profondeur de forte corrélation interprétée comme la transition ductile fragile. La partie intermédiaire des modèles, plus homogène, permet de distinguer différentes unités géologiques séparées par une zone de faille. Enfin la partie superficielle se distingue par une forte hétérogénéité des paramètres résultants probablement de processus d’altération de surface. / The development of geothermal energy has led to the exploitation of resources established in varied geological and geodynamic contexts. Geophysical exploration of these complex reservoirs requires the use of several complementary imaging methods. This PhD thesis focuses on the exploration of a geothermal resource located within the fractured basement in the French Massif Central using magnetotelluric, ambient noise tomography and gravimetry. Magnetotelluric is a 3D imaging method with a good resolution power that is sensitive to the presence of water and hydrothermal weathering clays but is limited by its spatial coverage. Seismic noise tomography has a good vertical resolution but does not resolve well horizontal velocity variations. This method is sensitive to variations of the mechanical properties of rocks and thus to fractured media. Finally gravimetry brings constraint on the lithological variations and has a good lateral resolution but lacks vertical resolution.We present a method of joint inversion of seismic and gravimetric data under the constraint of a resistivity model obtained by independent magnetotelluric inversion. Joint inversion requires defining model couplings. By lack of prior knowledge of petrophysical relationships, we have coupled the density, resistivity and velocity models with a law that constraints the parameters to be correlated on average.This strategy aims to bring out the characteristic relationships of the geological objects of the geothermal resource. This joint inversion methodology has been tested on synthetic models. The application to the real data acquired in the Massif Central has made it possible to define a deep zone of high correlation interpreted as the fragile ductile transition. The intermediate part of the models, more homogeneous, allows to distinguish different geological units separated by a fault zone. Finally the superficial part is distinguished by strong heterogeneity of the parameters resulting probably from surface alteration process.

Avec le développement récent de régulateurs innovants pour le bâtiment, il devient nécessaire de mettre au point une méthode de test qui soit à la fois rapide, reproductible et réaliste. La méthode développée dans cette thèse permet d'obtenir des performances annuelles de régulateurs de pompes à chaleurs (PAC) géothermiques en seulement quelques jours de test. Basé sur une technique d'émulation déjà utilisée pour des tests de PAC géothermiques et de systèmes solaires combinés, le test permet d'incorporer le régulateur et la PAC réels dans un environnement de simulation calibré par des mesures in-situ. Chaque jour de test correspond à un jour type de chaque mois. Le développement de la méthode consiste à déterminer la séquence de jours types optimale permettant une bonne estimation des performances. La méthode est ensuite testée expérimentalement sur le banc semi-virtuel pour comparer un régulateur prédictif à un régulateur conventionnel sur une saison de chauffage. Pour les besoins de la méthode, un régulateur prédictif de PAC géothermiques est développé. Ce régulateur utilise des réseaux de neurones pour la prévision des données météo et de la température ambiante. Un nouveau module pour la prévision des températures dans le plancher chauffant et les sondes géothermiques est proposé. Le régulateur prédictif est testé par simulation sur une saison de chauffage pour différents climats et types de maisons individuelles. En fonction de la référence, les économies d'énergie réalisées varient entre 6% et 15%. / With the recent development of innovative controllers for the building, there is a need to develop a testing method that is fast, reproducible and realistic. The method developed in this study aims to estimate the annual performance of ground source heat pump (GSHP) controllers in only a few days of test. Based on emulation techniques already used for GSHP and solar combined systems, the test immerses the controller and a real GSHP in a simulated environement that is calibrated with in-situ data. Each day of test represents a typical day of the month. The development of the method consists in determining the optimal typical days that ensure an accurate estimation of annual performance. The method is then experimentally tested on the semi-virtual test bench for the comparison of a predictive controller and a conventionnal controller over an entire heating season.To develop the method, a predictive controller for GSHP is elaborated. The controller is based on artificial neural networks used for the prediction of weather data and indoor temperature. A new module for the prediction of floor heating and boreholes fluid temperatures is also proposed. The predictive controller is tested by simulation over a heating season for various climates and types of single family house. According to the reference case, the energy savings vary between 6% and 15%.

L’objectif de cette thèse est de quantifier l’évolution de la surface réactive d’un silicate modèle (orthose) lors de son altération hydrothermale et estimer son impact sur la cinétique réactionnelle. L’étude porte sur : (1) l’influence de la présence de couverture de phases secondaires à même la surface de l’orthose, (2) l’impact de l’anisotropie de la structure cristalline de l’orthose et (3) l’effet de la formation de puits de corrosion en surface. Les résultats expérimentaux et numériques mettent en évidence que la vitesse de dissolution de l’orthose et son évolution au cours du temps dépendent essentiellement de sa morphologie.Certaines faces cristallines se dissolvent 10 fois plus rapidement que d’autres, entraînant une augmentation de la proportion de faces rapides au cours du processus et une élévation, jusqu’à un ordre de grandeur, de la vitesse de dissolution globale de l’orthose. Ces résultats ouvrent d’importantes pistes de réflexion sur la méthode adéquate pour rendre compte des cinétiques des interactions fluide/roche sur le terrain ainsi que sur la signification des lois de vitesse et des mécanismes réactionnels déterminés à partir d’expériences sur poudre. / This thesis aims at quantifying the reactive surface area evolution of dissolving K- feldspar, and evaluating the impact on the dissolution kinetics during its alteration in geothermal context. The study focuses on : (1) the influence of secondary coatings on the orthoclase surface, (2) the impact of the anisotropic crystalline structure of orthoclase and (3) the effect of etch pit formation on the mineral surface. Experimental and numerical results highlight that the orthoclase dissolution rate and its evolution over time mainly depends onits morphology. Some orthoclase faces dissolve 10 times faster than others, resulting in an increase of the surface proportion of rapid vs. slow dissolving faces during the process and the increase of up to an order of magnitude of the overall orthoclase dissolution rate. These results question the significance of rate laws and reaction mechanisms determined from powder experiments and the pave to new approaches for investigating mineral reactivity.

Les acquisitions de mesures de températures et de conductivités thermiques ont enrichi la connaissance du régime thermique du bassin sédimentaire de Paris et ont mis en évidence des hétérogénéités thermiques spatiales ou temporelles. Afin de mieux les comprendre, ces variations doivent être intégrées dans une vision multidisciplinaire confrontant données et modèles. La revue bibliographique sur le sujet a permis d’intégrer les données de natures diverses, de les confronter par SIG et d’investiguer les connaissances. Cette étude a mis en évidence et réinterprété les variations verticales de flux géothermal. Les simulations conduites à partir de scénarios diffusifs paléoclimatiques montrent que le système a gardé en mémoire l’effet des paléoclimats. Par ailleurs, nous identifions pour la première fois une décroissance systématique du flux géothermal au niveau des principales formations aquifères. Des simulations thermo-hydrauliques transitoires des phénomènes paléoclimatiques mettent en évidence le développement de zones froide et chaude suivant les régions d’écoulement. Une explication de l’anomalie de température de plus de 20°C entre les installations géothermiques situées au nord et au sud de Paris au Bathonien est proposée. Les modélisations effectuées montrent clairement la contribution potentielle de zones fracturées, ainsi que celle des failles, à l’hétérogénéité observée dans le champ de température du bassin en permettant des écoulements contraints par le gradient de charge régional et les instabilités densitaires. Ces travaux ont montré le lien entre les formations du bassin qui sont exploitées pour leurs ressources ou utilisées comme milieu de stockage. / The acquisition of measurements of temperature and of thermal conductivity has enriched the understanding of the thermal regime of the Paris sedimentary basin and brought to light spatial and temporal thermal heterogeneities. In order to understand them better, these variations need to be integrated into a multidisciplinary vision of the basin by comparing data against models. The bibliographic review made it possible to integrate data of diverse sorts, to compare them using GIS and to investigate the knowledge base. This study has highlighted and reinterpreted the vertical variations of geothermal flux. Simulations carried out based on diffusive palaeoclimatic scenarios show that the system has retained a memory of the effects of palaeoclimates. Furthermore, for the first time, a systematic decline of the geothermal flux has been identified at the level of the main aquifer formations. Transitory thermo-hydraulic simulations of palaeoclimatic phenomena show the development in the sedimentary basin of cold and hot zones according to the areas of flow. An explanation of the temperature anomaly of over 20°C between the geothermal installations located to the north and south of Paris in the Bathonian is put forward. The models produced clearly show the potential contribution of fractured zones, as well as that of the faults, to the heterogeneity observed in the temperature field of the basin by allowing flow constrained by the regional charge gradient and unstable densities. This work has shown the link between the formations in the basin which are exploited for their resources or used as a storage medium.

Tout au long d'un puits géothermique basse énergie (jusqu'à 2000 mètres de profondeur), du ciment est utilisé dans les espaces annulaires entre les tubages et les formations géologiques environnantes. Son rôle est de garantir les étanchéités, la tenue mécanique des couches et la protection du tubage. La qualité et la tenue dans le temps de ces ciments sont importantes. Compte tenu du gradient géothermique, des circulations d'eau chargée en éléments chimiques au sein de l'aquifère et des fortes contraintes dues à la profondeur, l'hydratation du ciment est susceptible d'être influencée significativement. En effet, ces facteurs peuvent à long terme contribuer à une dégradation prématurée du puits. L'objectif de ce travail est d'étudier les effets des conditions environnementales des puits géothermiques (la température, la pression et les concentrations en NaCl) sur les propriétés physiques et mécaniques des pâtes de ciment en passant par une étude microstructurale poussée. Pour cela, plusieurs coulis de ciment ont été échantillonnés sur un chantier géothermique en Ile de-France. Sur ce chantier, le coulis ciment de classe G et le coulis de ciment allégé en bentonite sont utilisés tout au long du puits. Les pâtes de ciment durcies réalisées en laboratoire ont été étudiées en utilisant une méthodologie basée sur des mesures non destructives (vitesse du son, fréquence de résonance, perméabilité) et destructives (module de Young, résistance à la compression, conductivité thermique). Les propriétés thermiques et physico-mécaniques des pâtes de ciment durcies issues de ces mesures ont été couplées à des observations microstructurales par diffraction de rayon X, par microscopie électronique à balayage et par porosimétrie par intrusion de mercure. Les résultats ont montré que les analyses microstructurales sont corrélables avec les propriétés physico-mécaniques et qu'elles sont de bons indicateurs de l'état de ces ciments dans les puits. Ce travail de thèse propose une méthodologie de mesure fiable. En effet, les nombreux essais réalisés et leurs analyses ont permis de déterminer les relations qui permettent de prédire la résistance à la compression des pâtes de ciment d'un puits géothermique. Enfin et quels que soient les paramètres environnementaux appliqués, des relations empiriques ont pu être proposées. Ces dernières, en reliant les résultats de méthodes non destructives avec ceux de méthodes destructives permettront de déterminer les propriétés des pâtes de ciment d'un puits géothermique sans passer par des essais destructifs