Lorsqu'elle est chauffée, la roche peut subir une microfissuration thermique, qui influence ses propriétés physiques, mécaniques, thermiques, et de transport. La surveillance de la microfissuration thermique en laboratoire a été principalement réalisée pendant le chauffage, et rarement lors du refroidissement ou du chauffage cyclique que la roche subit dans les volcans et les réservoirs géothermiques. Un nouvel appareil a été élaboré pour surveiller les émissions acoustiques et mesurer les vitesses des ondes élastiques à haute température. L'état de fissuration a été évalué grâce à un nouvel algorithme d'analyse microstructurale, et l'influence des microfissures sur les propriétés des roches a été mesurée et modélisée. Selon la microstructure, la microfissuration peut avoir lieu pendant le chauffage ou le refroidissement, et les microfissures existantes peuvent s’ouvrir et se fermer de façon réversible avec des changements de température, et influencer les propriétés de la roche. / Rock may undergo thermal microcracking when heated, affecting its physical, mechanical, thermal, and transport properties. Thermal microcrack monitoring in the laboratory has mainly been performed during heating, and rarely during the cyclic heating and cooling relevant for volcanoes and geothermal reservoirs. For this, a new dedicated apparatus for the acoustic emission monitoring and wave velocity measurement at high temperatures was elaborated, building on previous designs. Microcrack damage was assessed with a new algorithm for quantitative microstructural analysis, and the influence of thermal microcracks on rock properties was measured and modelled. Depending on the rock type and initial microcrack content, microcracking occurred during either heating, cooling, or neither, and existing microcracks reversibly opened or closed with increasing temperature. In Earth's crust, the evolution of rock properties with temperature may be significant and is determined by the microstructure.

Les argiles soumises à une charge mécanique constante et à une lente élévation de température donnent lieu généralement à une contraction irréversible. Ce phénomène est interprété par une variation des limites d'élasticité avec la température appelée écrouissage thermique. Une formulation du comportement plastique compatible avec les principes de la thermodynamique montre que ces effets de la température en plasticité reposent sur un couplage particulier où intervient la chaleur latente de transformation de l'état d'écrouissage du matériau. Une extension thermomécanique simple du modèle Cam Clay est proposée pour l'étude du comportement thermomécanique des argiles saturées. Une analyse d'essais de laboratoire déjà publiés illustre la pertinence de ces concepts. Des argiles issues de formations géologiques profondes susceptibles de recevoir un stockage de déchets radioactifs présentent un écrouissage thermique en laboratoire. Les conséquences pour un stockage sont évaluées par des modélisations et par des essais in situ menés dans un laboratoire souterrain. Les mesures faites autour d'une sonde chauffante révèlent l'importance des couplages thermohydromécaniques au sein d'un massif argileux. Les modélisations donnent une interprétation cohérente des mesures in situ. L'accent est mis sur les interactions entre les diverses phases d'un essai : excavation, reconsolidation du massif puis chauffage. Ces analyses montrent que l'écrouissage thermique se manifeste peu dans ces essais. En revanche, les couplages thermohydromécaniques de nature élastique sont nettement plus importants que ceux prévus d'après les essais triaxiaux classiques, ce que l'on attribue la raideur accrue de ce matériau lorsqu'il subit de très faibles déformations.

On se propose de caractériser les altérations du granite d'Auriat (Creuse) à partir d'un forage profond (1003.15 m). Ce mémoire comprend deux volets : - la reconnaissance des altérations du granite : études visuelle, microscopique, chimique, minéralogique et mécanique ; - l'analyse du milieu poreux. Tout au long de l'étude, nous sommes amenés à adapter les moyens d'investigation pour une petite quantité de matériau. Après une revue bibliographique, nous caractérisons le granite d'Auriat et ses altérations à partir des moyens classiques : étude visuelle du sondage, microscopie optique, MEB, diffraction de rayons X, analyses chimiques à l'échelle de la roche puis du minéral , microduretés Vickers, résistance à la compression et géophysique de laboratoire. Il apparaît que les faciès que nous définissons à partir de la couleur des feldspaths (rubéfaction) correspondent à une réalité physico-chimique. La seconde partie du mémoire débute par la mesure du volume poreux du granite. On reprend les différentes méthodes et on met au point une technique de mesure de la porosité à l'eau adaptée aux matériaux très peu poreux (< 2 %). La validité de la méthode est démontrée. La répartition des porosités en fonction des faciès montre que les granites sains sont très peu poreux (< 1 % en moyenne) et les rubéfiés légèrement plus poreux (de 0 à 2 % en moyenne). La décomposition de la porosité totale en porosité de pores et de fissures montre que le faciès sain est affecté par un système de microfissures ouvertes. Le faciès rubéfié possède une porosité de pores dominante et ses microfissures sont largement colmatées. L'essai de porosimétrie au mercure est abordé à partir des calculs utilisés en physique des hautes pressions en tenant compte des corrections de compressibilité relatives à chacun des éléments en présence. L'examen des courbes porosimétriques montre qu'il existe une infraporosité (0.001 < r < 0.01 µm) caractéristique du faciès rubéfié. Nous mesurons la perméabilité au gaz du granite, puis calculons sa surface spécifique à partir de la porosité et de la perméabilité. Enfin, nous présentons une synthèse des résultats et une prospective est envisagée.

Les doublets géothermiques sur aquifères superficiels jouent un rôle important en France pour le chauffage, le rafraichissement et la production d’eau chaude sanitaire des bâtiments. La pérennité de ces installations est cependant conditionnée par la possibilité de pouvoir garantir dans le temps la production puis la réinjection de l’eau souterraine. Le colmatage de la boucle géothermale est un problème majeur qui affecte de nombreuses installations sur l’ensemble du territoire français et remet en cause leur viabilité technico-économique. La compréhension et la prédiction de ce phénomène nécessite de nouveaux moyens de caractérisation et de modélisation des processus biogéochimiques couplés au fonctionnement des boucles géothermales dans des environnements de subsurface hétérogènes. Cette thèse a ainsi fait l’objet d’une nouvelle collaboration entre le laboratoire Géosciences Rennes et l’entreprise Antea group pour identifier les mécanismes à l’origine de ces phénomènes de colmatage et d’en caractériser les paramètres influents dans le but de construire un outil d’analyse des risques permettant l’anticipation de ces processus de colmatage. Le premier volet de la thèse expose la synthèse des typologies de colmatage (biogéochimique, chimique, biologique et physique). Cette synthèse est issue de l’étude de la littérature sur la problématique de colmatage des forages d’eau et des retours d’expérience concernant les doublets géothermiques recensés et étudiés durant cette thèse. Le second volet présente les inventaires régionaux des problématiques de colmatage recensées en France dans différents contextes hydrogéologiques. Ces inventaires ont permis de délivrer un état des lieux à grande échelle de la problématique de colmatage et d’étudier les contextes associés à chaque type de colmatage. Dans le troisième volet, de nouvelles méthodologies de caractérisation in-situ des phénomènes de colmatage biogéochimique liés à l’oxydation du manganèse et du fer sont présentées. Elles ont été développées dans le cadre de ces travaux de thèse à partir des investigations menées sur différents sites confrontés à des problèmes d’exploitation. Ces méthodologies d’investigations pluridisciplinaires couplent la mesure des propriétés hydrauliques, des concentrations en éléments chimiques et de la diversité microbienne afin d’identifier la problématique impactant le fonctionnement de l’installation et d’en définir in fine les causes. Le quatrième volet expose les résultats d’une campagne de terrain effectuée sur un doublet géothermique impacté par un processus de colmatage biogéochimique. Cette campagne a permis d’identifier les composantes clés de la réactivité biochimique impliquée dans le colmatage : distribution du flux, hétérogénéité chimique et diversité microbiologique. A l’aide du code de calcul PHREEQC, un modèle géochimique simulant les cinétiques de précipitation observées a été développé. Il permet l’étude quantitative des mécanismes biogéochimiques favorisant l’apparition rapide du colmatage. Enfin, les retours d’expériences de l’exploitation des doublets sur nappes superficielles ont démontré le besoin d’une méthodologie fiable d’analyse des risques, permettant d’anticiper l’apparition des processus de colmatage à chaque étape de la vie du projet. Ainsi, à partir de la synthèse de la littérature scientifique et technique et des conclusions des études menées durant cette thèse, les facteurs de risques d’apparition des phénomènes de colmatage ont été déterminés. L’analyse des risques de colmatage intégrant ces différents facteurs a été implémentée à travers l’élaboration de méthodes développées sous Python 3. L’outil ARCADE (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) a été conçu d’une part pour évaluer le risque et d’autre part pour informer l’utilisateur averti des bonnes pratiques et moyens préventifs. Ces bonnes pratiques d’analyse et de gestion préventive sont présentées dans le dernier volet de cette thèse. / The sustainability of geothermal systems using shallow aquifers for heating, cooling and hot water production depends on the possibility to ensure, over long time-scales, the production and the reinjection of groundwater in the aquifer. Clogging of the geothermal loop is a major issue affecting the technical and economic viabilities of numerous operations in France. The understanding and prediction of this phenomenon requires new methods of characterization and modelling of biogeochemical processes coupled to the operation of geothermal loops in heterogeneous subsurface environments. This thesis is thus the result of a new collaboration between the Géosciences Rennes lab and Antea group to identify the mechanisms at the origin of clogging phenomena and characterize their controlling parameters, in order to establish a risk assessment tool allowing the anticipation of clogging processes. The first part of the thesis describes the main clogging processes (biogeochemical, chemical, biological and physical). This synthesis is the result of (1) the study of the literature dealing with the clogging of water wells and (2) our feedbacks on the geothermal doublets identified and studied during this thesis. The second part presents the regional inventories of shallow geothermal systems impacted by clogging problems identified in different hydrogeological contexts in France. These inventories provide a large-scale perspective of clogging phenomena and allow to study the contexts associated with each type of clogging processes. In the third part, new methodologies for the in-situ characterization of biogeochemical clogging phenomena linked to manganese and iron oxidation are presented through case studies of sites affected by clogging issues. These interdisciplinary studies couple the measurement of hydraulic properties, chemical element concentrations and bacterial diversity, to identify the specific issue impacting the operation and to define its causes. The fourth part presents the results of an interdisciplinary field campaign carried out on a geothermal doublet impacted by a biogeochemical clogging process. This campaign documented the key components involved in mixing induced biogeochemical reactivity: flow distribution, chemical heterogeneity and microbiological diversity. Using PHREEQC, a geochemical model simulating observed kinetics of precipitation was developed in order to quantitatively explore the biogeochemical mechanisms favoring rapid clogging. Feedback from shallow geothermal systems operation has demonstrated the need for a reliable risk analysis methodology that allowed to anticipate the apparition of clogging processes at each stage of the project life (part 5). From the synthesis of the scientific & technical literature and the conclusions of the studies carried out during this thesis, the risk factors for the appearance of clogging phenomena were determined. A clogging risk analysis integrating these factors was implemented through the development of methods developed under Python 3. The methodology of the ARCADE tool (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) is designed to assess the risk and to inform users of good practices and preventive methods. These good practices for analysis and preventive methods are presented in the last part of this thesis.

Cette thèse porte sur l’analyse thermique et énergétique d’une fondation géothermique ventilée. A l’instar des échangeurs air-sol classiques (EAHE), celle-ci permet de rafraichir ou préchauffer selon la saison l’air destiné au renouvellement sanitaire des bâtiments. Face aux contraintes de rationalisation des consommations et aux exigences de confort thermique croissantes, ces systèmes passifs apparaissent comme étant prometteurs. Le principe de cette fondation est simple et similaire à celui des EAHE : faire circuler de l’air dans une conduite enterrée dans le sol (un à trois mètres) pour qu’il bénéficie - via convection - de l’inertie thermique du sol. La différence réside dans le fait que le canal dans lequel circule l’air n’est pas un tube en PVC ou aluminium mais fait partie intégrante de la structure du bâtiment, à savoir la fondation en béton armé. Ceci présente comme avantage majeur le gain de place lié à l’espace requis pour l’enfouissement des tuyaux. D’un point de vue thermique, la fondation échange non seulement de la chaleur avec le sol exposé aux sollicitations météorologiques mais aussi, et simultanément, aux sollicitations venant du bâtiment. De plus, la profondeur de la fondation – imposée par des raisons structurelles et économiques – est moindre que pour un EAHE traditionnel. Additionné au fait que le béton est poreux, la présence d’humidité peut fortement influencer la performance thermique de la fondation. Le présent travail propose donc d’étudier le comportement thermique complexe de cette fondation par deux approches. La première est expérimentale : un EHPAD équipé de deux fondations a été lourdement instrumenté et des données ont été accumulées sur plus d’un an. L’autre est numérique : deux modèles validés par comparaison avec les données expérimentales ont été développés. Le premier a vocation d’outil de dimensionnement, l’autre de compréhension fine des phénomènes physiques et prends en compte les transferts couplés de chaleur et de masse. / This thesis deals with the thermal and energy analysis of a geothermal ventilated fonudation. Similarly to earth-to-air heat exchangers (EAHE) this foundation enables, according to the season, to preheat or to cool down the air for the hygienic air change. Considering the energy consumption constraints and the buildings users thermal comfort desire, these systems appears to be relevant. The principle of this foundation is simple: to force the air to circulate in a hollowed beam buried into the ground (1 to 3m depth) so that it takes advantage - via convection - to the thermal inertia of the ground. The difference lays on the fact that the channel is not a plastic or aluminium pipe but it a part of the building structure, namely the reinforced concrete foundation. This induces a significant space gain, usually devoted to the pipe burying. From a thermal point of view, the foundation exchanges heat with both the soil beneath the building, and with the soil exposed to the weather thermal loads. Furthermore, the depth - imposed by structural and economical purposees - is lower than that of traditional EAHE. In addition to the fact that concrete is a porous material, the humidity content may strongly influence the thermal performance of the foundation. The current work thus proposes to study the complex thermal behaviour of this foundation in two ways. The first is experimental: an retirement home equipped with two foundation has been intensively instrumented and data recorded over more than one year. The other is numerical: two models validated against the experimental data have been developed. The first is intended to be a designing tool, the second a tool to allow a fine comprehension of the physical phenomenon and take into account coupled heat and moisture transfers.

Depuis la mise en place en 2010, d’une nouvelle tarification française sur le tarif de l’énergie géothermique, l’Alsace est la région de France la plus dynamique quant à la réalisation de forages géothermiques profonds à haute température (>150°C). Ainsi, l’approche géologique, qui a été primordiale pour les forages de Rittershoffen, le sera encore davantage pour les projets à venir compte tenu de la méconnaissance géologique de certaines zones profondes du bassin rhénan. Cette étude propose d’appréhender la compréhension de l’architecture stratigraphique et séquentielle des formations de la couverture sédimentaire rhénane. 15 puits profonds ont été réinterprétés et corrélés à travers l’ensemble du bassin, permettant l’élaboration d’une colonne stratigraphique complète incluant le sommet et la base de chaque formation. Ces réinterprétations ont également mis en lumière le signal caractéristique de la diagraphie gamma-ray (GR) de chacune des formations de la colonne stratigraphique rhénane. De plus, la caractérisation lithostratigraphique du passage entre le socle et la couverture sédimentaire a fait l’objet d’un axe important de recherche. / Since the introduction of a new French pricing system for geothermal energy in 2010, Alsace has been the most dynamic region in France for deep geothermal drilling at high temperatures (>150°C). Thus, the geological approach, which has been essential for the Rittershoffen boreholes, will be even more for future projects given the lack of geological knowledge of some deep parts of the URG. This study aims at understanding the stratigraphic and sequential architecture of the formations of the URG sedimentary cover. 15 deep wells were reinterpreted and correlated throughout the basin, allowing the development of a complete stratigraphic column including the top and base of each formation. These reinterpretations also highlighted the characteristic gamma-ray signal (GR) of each of the formations in the URG stratigraphic column. In addition, the lithostratigraphic characterization of the transition between the basement and the sedimentary cover was the subject of an important research focus.