Résumé Le Rift Est-Africain comprend plusieurs grands lacs, dont le lac Kivu situé entre 1°34’ et 2°30’ de latitude Sud et compris entre 28°50’ et 29°23’ de longitude Est. Ce lac, localisé au nord-ouest du Rwanda à la frontière avec la République Démocratique du Congo, présente une spécificité unique au monde: ses eaux profondes contiennent une gigantesque quantité de gaz dissous (3/4 de dioxyde de carbone (CO2), 1/4 de gaz méthane (CH4)). Les études antérieures indiquent que les eaux du lac Kivu présentent une structure stratifiée particulière qui se décline en 13 couches dans le bassin principal. Nous avons établi une nouvelle stratification, en quatre couches de la colonne d’eau dans ce bassin sur base des données physico-chimiques mais aussi, en tenant compte tout particulièrement du comportement biogéochimique du carbone. Cette structure simplifiée permettra une meilleure évaluation de l’impact environnemental et une gestion durable de l’exploitation du gisement de gaz méthane du lac Kivu. Un suivi détaillé de plusieurs paramètres physico-chimiques, biogéochimiques ainsi que des éléments majeurs, mineurs et en trace, présents dans le bassin principal du lac, dans sa partie rwandaise en un point fixe au large de Kibuye, durant la petite saison sèche, apporte un éclairage plus précis de leur distribution dans la colonne d’eau. Une étude de la variation spatio-temporelle de ces paramètres est réalisée aussi bien à Kibuye qu’à Gisenyi et ce durant les différentes saisons pour, entre autres, servir de base de données nécessaire à toute comparaison ultérieure. L’origine des gaz dissous dans le lac Kivu a fait l’objet de plusieurs études et hypothèses. Les deux principaux gaz dissous du lac ont un élément biogéochimique en commun: le carbone. Par des mesures isotopiques et par comparaison avec le système limnologique du lac Tanganyika voisin, la correspondance de l’allure générale de la distribution comparée du carbone inorganique dissous (DIC), de l’alcalinité totale et du δ13CDIC dans les deux lacs indique notamment que les processus à l’origine du gaz méthane du lac Kivu ne sont pas liés au magmatisme, ni à des phénomènes thermocatalytiques. Nous pensons que le carbone, et par conséquent le gaz méthane du lac Kivu, est d’origine phytoplanctonique. L’explication par une étude hydrogéologique et pédologique de l’origine de la stratification pérenne de la colonne d’eau du lac Kivu constitue un point de vue intéressant. Une autre perspective serait, celle visant à établir par des données biogéochimiques, le taux de régénération du gaz méthane du lac Kivu afin d’en déterminer la durée d’exploitabilité réelle.

La mesure de l'indice de réfraction a été étudiée depuis qu'Ernest Abbé aie initialement conçu un réfractomètre en 1869, appelé le réfractomètre d'Abbé. Depuis lors, de nombreux réfractomètres ont été développés tels que le réfractomètre à prisme optique ainsi que le réfractomètre à fibre optique, en raison de leurs applications étendues pour la détection de divers paramètres physiques, biologiques et chimiques. Récemment, un grand nombre de chercheurs ont mis au point des réfractomètres basés sur des fibres optiques, exploitant des mécanismes tels que la résonance des plasmons de surface (SPR), les interférences multimodes, les fibres à réseaux de Bragg (FBG), les fibres à réseaux à longues périodes (LPG), les fibres optiques coniques et la fibre multimode à gaine dénudée. Les capteurs fibrés sont avantageux grâce à leur immunité contre les interférences électromagnétiques, passivité électrique au niveau de la sonde de détection et potentiel de mesure in situ à long terme. Cette thèse concerne le développement de modèles complets fonctionnels et précis pour les réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité optique, en particulier la réfractométrie à fibre multimode à gaine dénudée ainsi que les systèmes hybrides associant fibres monomode et multimode, et un réfractomètre hybride tout fibré utilisant des fibres à cristaux photoniques. L'objectif clé de ce travail est de caractériser les performances de ces réfractomètres à fibres optiques basés sur la modulation d'intensité en termes de réponse en puissance, de sensibilité, de résolution et de dynamique de mesure. Les résultats de simulation qui sont corroborés expérimentalement démontrent que la très grande sensibilité obtenue dans la zone II (c'est-à-dire le régime de détection typiquement utilisé pour mesurer l'indice du milieu supérieur à l'indice de gaine mais inférieur ou égal à l'indice du coeur) pour tous les trois réfractomètres. Cependant, la sensibilité dans la Zone (c’est-à-dire le régime de détection pour lequel l’indice du milieu à mesurer est supérieur à celui du coeur) est très faible. Ainsi, un refractomètre fibré hybride monomode-multimode est utilisé pour améliorer la sensibilité dans la Zone III. D'autre part, la sensibilité pour la zone I (c'est-à-dire le régime de détection pour mesurer l’indice du milieu inférieur à l'indice de la gaine) a été améliorée en augmentant l'absorption des ondes évanescentes à l'aide du réfractomètre hybride tout fibré à base de fibres à cristaux photoniques à coeur solide. En termes d'application réelle du réfractomètre à fibre pour la détection biochimique, une preuve de concept pour un capteur du gaz méthane a été démontrée en utilisant les supramolécules de cryptophane-A qui permettent de piéger les molécules du méthane. Le cryptophane-A incorporé dans un film hôte à base de styrène acrylonitrile (SAN) est appliqué sur la zone dénudée du capteur comme une région fonctionnalisée. L'indice de réfraction de cette couche sensible augmente proportionnellement avec l'augmentation de la concentration du méthane, ce qui induit une variation de la puissance optique transmise dans le capteur fibré. / Refractive index measurement has been studied since Ernest Abbé initially designed a refractometer in 1869, which is named the Abbé refractometer. Since then, numerous types of refractometers have been developed by employing either the optical prism-based refractometer or the optical fiber-based refractometer, due to their wide-ranging applications such as for sensingvarious physical, biological and chemical parameters. Recently, a large number of researchers have been developing refractometers based on optical fibers, exploiting mechanisms such as surface plasmon resonance (SPR), multimode interference, fiber Bragg gratings (FBG), long period gratings (LPG), tapered optical fibers, and striped-cladding multimode fibers (MMF), for their advantages in immunity against electromagnetic interference, electrical passivity at the sensing probe, and capability to long term in-situ measurement. This thesis concerns the development of comprehensively functional and accurate models for optical fiber refractometers based on optical intensity modulation, in particular for stripped-cladding MMF refractometry as well as hybrid systems involving a combination of single-mode-multimode fiber refractometery and the all-fiber hybrid refractometer using photonic crystal fibers. A key objective of this work is to characterize the performance of these intensity-based optical fiber refractometers in terms of their power response, sensitivity, resolution, and dynamic range. The simulation results which are corroborated experimentally demonstrate very high sensitivity being obtained in Zone II (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index higher than the cladding index but less than or equal to the core index) for all three types of refractometers. However, the sensitivity in Zone III (i.e. the sensing regime for which the sensing medium index is higher than the core index) is very low. A hybrid single-mode fiber - multimode fiber configuration is used to improve the sensitivity in Zone III. On other hand, the sensitivity for Zone I (i.e. the sensing regime typically employed for measuring a sensing medium index lower than the cladding index) has been improved by increasing evanescent wave absorption using the all-fiber hybrid refractometer based on solid-core photonic crystal fibers. As a further potential of the fiber refractometer for applications in biochemical sensing, the proof-of-concept for a methane gas sensor has been demonstrated using supramolecular cryptophane-A which enables to trap the methane molecules. Cryptophane-A incorporated into a functionalized film of StyreneAcrylonitrile (SAN) host is applied to a de-cladded region of the sensor as the sensitive region. The refractive index of this functionalized layer increases proportionally with increasing methane concentration, subsequently inducing variations in the transmitted optical power along the fiber sensor.

Une étude de caractérisation intégrée de pétrographie et géochimie organique a été réalisée dans les bassins de Sabinas et Chihuahua au Nord-Est du Mexique. Ces informations ont permis une modélisation numérique de la formation du gaz en considérant la subsidence thermique des charbons et des shales à gaz. Les objectifs de cette thèse sont les suivants: mise en place d'une méthodologie de caractérisation des roches étudiées ; estimation du potentiel générateur de gaz et sa distribution régionale ; estimation des ressources en gaz méthane. Les analyses effectuées sur l'ensemble des échantillons ont permis de caractériser la roche, les kérogènes, les huiles et les gaz. La méthodologie utilisée permet de croiser les informations pétrographiques et géochimiques pour pouvoir analyser le système pétrolier par modélisation numérique. Les analyses réalisées sont: réflectance% Ro, analyse élémentaire et immédiate, Rock Eval6 ® (Bulk Rock), [delta]13C, [delta]D, (gaz de charbon), microscopie électronique à balayage, analyse d'images, analyse des macéraux et inclusions fluides. Un programme informatique a été construit afin de croiser l'information des analyses des échantillons avec celle des expériences de maturation artificielle en laboratoire. Cette démarche nous à permis d'estimer les ressources en gaz méthane à la fois généré par les charbons et les shales gaz. La méthodologie utilisée pour l'étude des kérogènes et des gaz dans les deux bassins est à notre avis la plus appropriée pour répondre aux objectifs proposés dans ce travail de thèse. Celle-ci permet de caractériser l'évolution thermique des charbons, shales gas (gaz de schiste), et roches mères pétrolières / This comprehensive characterization study was performed using organic petrology and geochemistry conducted in the Sabinas basin and Chihuahua in northern Mexico. This information allowed a numerical modeling of gas formation, considering the thermal subsidence of coal and carbonaceous shales.The objectives of this thesis are: establish a characterization methodology for the studied rocks ; estimate potential gas generator and its regional distribution ; estimate the methane gas resources. For the development of this project, we conducted an intensive campaign representative sampling of coal, carbonaceous shales and coal gas "in situ". For the Sabinas basin were studied 97 samples and 114 samples in the basin of Chihuahua. The analyses carried out that were used on the samples analyzed allowed to characterize the kerogen and gas. The methodology used to cross petrographic and geochemical information to analyze the petroleum system by numerical modeling. Analyses were: Petrographic, reflectance %Ro, elemental analysis and immediate, Rock Eval6 ® (Bulk rock), isotopic analysis, [delta]13C, [delta]D, (coal gas), scanning electron microscopy, image analysis and analysis of macerals fluid inclusions. The analyzes that were used on the samples allowed to characterize the sample, the kerogen and gas. The methodology used to cross petrographic and geochemical information for analyze the oil system by numerical modeling. Analyses were: Petrographic, reflectance% Ro, elemental analysis and immediate, Rock Eval6 ® (Bulk rock), isotopic analysis, d13C, dD, (coal gas), scanning electron microscopy, image analysis and analysis of macerals fluid inclusions. A computer program was constructed to cross the information with the analysis of samples of artificial maturation experiments in the laboratory. This approach allowed estimation of methane gas resources generated by coal and carbonaceous shales. [...] In conclusion, between the two basins studied, the Sabinas basin, generates more gas for industrial exploitation. However, the rocks of the basin of Chihuahua unconventional types (shale gas) show good potential for hydrocarbon generation. The methodology used for the study of kerogen and gas in the two basins is in our opinion the most appropriate to meet the objectives proposed in this thesis. This allows to characterize the thermal evolution of coal, carbonaceous shale (shale gas), coal gas and hydrocarbon source rocks

Résumé<p>Le Rift Est-Africain comprend plusieurs grands lacs, dont le lac Kivu situé entre 1°34’<p>et 2°30’ de latitude Sud et compris entre 28°50’ et 29°23’ de longitude Est. Ce lac,<p>localisé au nord-ouest du Rwanda à la frontière avec la République Démocratique du<p>Congo, présente une spécificité unique au monde: ses eaux profondes contiennent<p>une gigantesque quantité de gaz dissous (3/4 de dioxyde de carbone (CO2), 1/4 de<p>gaz méthane (CH4)).<p>Les études antérieures indiquent que les eaux du lac Kivu présentent une structure<p>stratifiée particulière qui se décline en 13 couches dans le bassin principal. Nous<p>avons établi une nouvelle stratification, en quatre couches de la colonne d’eau dans<p>ce bassin sur base des données physico-chimiques mais aussi, en tenant compte<p>tout particulièrement du comportement biogéochimique du carbone. Cette structure<p>simplifiée permettra une meilleure évaluation de l’impact environnemental et une<p>gestion durable de l’exploitation du gisement de gaz méthane du lac Kivu.<p>Un suivi détaillé de plusieurs paramètres physico-chimiques, biogéochimiques ainsi<p>que des éléments majeurs, mineurs et en trace, présents dans le bassin principal du<p>lac, dans sa partie rwandaise en un point fixe au large de Kibuye, durant la petite<p>saison sèche, apporte un éclairage plus précis de leur distribution dans la colonne<p>d’eau. Une étude de la variation spatio-temporelle de ces paramètres est réalisée<p>aussi bien à Kibuye qu’à Gisenyi et ce durant les différentes saisons pour, entre<p>autres, servir de base de données nécessaire à toute comparaison ultérieure.<p>L’origine des gaz dissous dans le lac Kivu a fait l’objet de plusieurs études et<p>hypothèses. Les deux principaux gaz dissous du lac ont un élément biogéochimique<p>en commun: le carbone. Par des mesures isotopiques et par comparaison avec le<p>système limnologique du lac Tanganyika voisin, la correspondance de l’allure<p>générale de la distribution comparée du carbone inorganique dissous (DIC), de<p>l’alcalinité totale et du δ13CDIC dans les deux lacs indique notamment que les<p>processus à l’origine du gaz méthane du lac Kivu ne sont pas liés au magmatisme, ni<p>à des phénomènes thermocatalytiques. Nous pensons que le carbone, et par<p>conséquent le gaz méthane du lac Kivu, est d’origine phytoplanctonique.<p>L’explication par une étude hydrogéologique et pédologique de l’origine de la<p>stratification pérenne de la colonne d’eau du lac Kivu constitue un point de vue<p>intéressant. Une autre perspective serait, celle visant à établir par des données<p>biogéochimiques, le taux de régénération du gaz méthane du lac Kivu afin d’en<p>déterminer la durée d’exploitabilité réelle. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished