Identifier la géométrie des écoulements souterrains est un objectif majeur de l'hydrologie. L'objectif de ce travail de thèse est de montrer que la méthode du Potentiel Spontané (PS) peut fournir des informations spatialisées sur la géométrie des circulations hydriques et sur les propriétés hydrauliques du sous-sol. La méthode PS est basée sur la mesure du champ électrique naturellement présent dans le sous-sol. Des expériences de terrain ont été menées pour mesurer la signature électrique d'un écoulement hydrique lors d'expériences de pompage et d'infiltration. Pour une meilleure compréhension du problème physique sous-jacent, des simulations de pompage et d'infiltration ont été réalisées dans une cuve en Plexiglas. Les résultats obtenus sur le terrain et en laboratoire démontrent la capacité de la méthode PS pour suivre la progression d'un écoulement et confirment l'intérêt de celle-ci comme outil adapté à la détermination du niveau piézométrique et des propriétés hydrauliques du sous-sol.

Le bassin versant du Bandama blanc amont, au nord de la Côte d’Ivoire, est situé sur un socle fissuré, composé de granites et de schistes, et constitue un aquifère pérenne pour l’approvisionnement en eau des populations. Cet aquifère de type fissuré est mal connu, tant dans la géométrie des réservoirs que dans le potentiel hydrogéologique des réserves qu’il contient. La précarité des populations rurales est en partie liée au manque d’eau potable ainsi qu’au nombre encore insuffisant des points d’approvisionnement. Un nombre important d’échecs a été observé lors de la réalisation des ouvrages de captages des eaux souterraines, dont l'une des causes est une faible connaissance du fonctionnement du milieu. Cette étude consiste à améliorer les connaissances sur le fonctionnement hydrodynamique des réservoirs du socle fissuré (géométrie des aquifères, paramètres hydrodynamiques, recharge, disponibilité de la ressource) en vue de l’installation d’ouvrages de captage.L’approche méthodologique multidisciplinaire intègre des méthodes d’hydrogéophysique, d’hydrogéologie, de géologie et de chimie. Il s’agit de développer de nouvelles techniques et outils appropriés de prospection pour affiner la caractérisation du socle fissuré, afin de mieux contraindre l'exploitation des sites, notamment en termes de stabilité des débits prélevés.Pour étudier l’aquifère de socle du bassin versant du Bandana blanc amont, nous avons couplé des mesures électromagnétiques aux données lithologiques pour affiner la géométrie de l'aquifère et de mieux contraindre le choix pour les futurs localisations des forages. Cette étude présente donc une nouvelle approche hydrogéophysique pour améliorer la connaissance des ressources importantes dans un aquifère de socle, à l’échelle locale ou régionale, par l'utilisation du système électromagnétique multifréquentiel PROMIS. L'interprétation des résultats a conduit à proposer des modèles multicouches conformes à la structuration lithologique et discontinuités géologiques en place, et à la localisation de l'aquifère, sa géométrie et les interfaces de sa base et du toit.Cette méthode est efficace pour améliorer la caractérisation de l’aquifère de socle, et les résultats ont révélé une bonne concordance entre les sondages (1D), la section de résistivité (2D), les forages et les structures géologiques.La géométrie de l’aquifère présente une structure multicouche présentant de haut en bas de la cuirasse ferrugineuse, des arènes argileuses, une zone fissurée reposant sur un substratum rocheux. Nous sommes en présence d’une nappe captive, sous pression sous les argiles, contenue dans les arènes et la frange fissurée, et présentant une épaisseur variable entre 15 et 30 m. Une connaissance détaillée de la géométrie de l'aquifère locale constitue la première étape cruciale avant d'aller plus loin dans une étude hydrogéologique complète. / The upstream watershed of White Bandama, north of Ivory Coast, is located on a fissured hard-rock, composed of granites and schists, and is a perennial aquifer for populations’ water supply. The upstream watershed of White Bandama, northern Ivory Coast, is located on a hard-rock aquifer which geometry and potential as an hydrogeological reserve is not yet well characterized. Insecurity of rural populations is partly due to lack of drinking water as well as still inadequate number of water supply points. A significant number of failures was observed when performing wells and boreholes for groundwater, one of the causes is a weak scientific knowledge on the environment.This study is to improve knowledge on the hydrodynamic behavior of the hard rock reservoir (geometry of aquifers, hydrodynamic parameters, recharge, availability of the resource) in order to drill perennial boreholes.The multidisciplinary methodological approach integrates hydrogeophysics, hydrogeology, geology, chemistry methods. It is to develop new techniques and appropriate exploration tools to refine the characterization of fissured hard-rock to better constrain the operation of sites, especially in terms of stability of pomped yield.To study the hard-rock aquifer of upstream watershed of White Bandama, we coupled electromagnetic measurements to lithological data to refine the geometry of the aquifer and to better constrain the choice for future drilling locations. This study presents a new hydrogeophysical approach using the multifrequency electromagnetic device PROMIS® to improve knowledge of resources on hard-rock aquifer, at the local or regional level.Our geophysical data are interpreted with multi-layer models consistent with the discontinuities observed in lithology logs and the geology of the site. This method is effecient to improve the characterization of the hard-rock aquifer, and the results showed good agreement between the soundings (1D), the resistivity cross-section (2D), drillings and geological structures.Results allow to precise the local thicknesses of the 3 main units of our study area down to 50 m, being from top to down, saprolite, a fissured-rock zone and the rock substratum. The fissured-rock zone constitutes the main aquifer unit under pressure, interesting target for productive water wells. Its thickness ranges from 15 to 30 m. A detailed knowledge of the local aquifer geometry constitutes the first and crucial step before going further into a complete hydrogeological study.

Située à l'interface entre les eaux de surface et les eaux souterraines, la zone hyporhéique (ZH) est depuis maintenant plusieurs décennies considérée comme une zone cruciale pour la préservation des milieux aquatiques. Elle constitue souvent un indicateur fiable de la bonne qualité des eaux et une niche écologique primordiale pour de nombreuses espèces. Mais elle est aussi le lieu d'interaction entre deux masses d'eau de signature différente, ce qui conduit à la formation d'un milieu extrêmement fragile et siège d'un grand nombre de réactions biogéochimiques. L'objectif principal de cette thèse est de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique des échanges au sein de la zone hyporhéique. L'approche de cette problématique s'est faite sous un aspect innovant en couplant une démarche hydrogéologique "classique" à l'aide de mesures hydrodynamiques et géochimiques, et l'utilisation de la tomographie de résistivité électrique (ERT). Plusieurs campagnes de terrain ont été menées sur la rivière Essonne, choisie comme lieu d'expérimentation. Différents outils de prélèvement et/ou de mesure ont été mis en place et un grand nombre de mesures à différentes périodes de l'année ont été réalisées. Des expériences assez techniques et innovantes de suivi d'un abaissement et relèvement de barrage, ainsi qu'un traçage artificiel au sel ont pu être effectués grâce à la collaboration avec le syndicat chargé de la gestion et l'aménagement d'une partie du réseau hydrographique de l'Essonne (SIARCE). En parallèle avec cette étude expérimentale, une maquette numérique 3D de la zone d'étude a été réalisée à l'aide du logiciel HydroGeoSphere. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques les plus importants et de quantifier leur impact sur la formation et l'évolution de la zone hyporhéique. Finalement, les premières simulations des expériences menées sur le terrain ont permis de confronter l'approche expérimentale et l'approche théorique. / The Hyporheic Zone (HZ) is located at the interface between surface water and groundwater. For several decades it is considered as a hotspot for the development of a rich aquatic environment in rivers. Its system is often considered as a reliable indicator for water quality and a primary ecological niche for many species. From a hydrological point of view, it is also the place of interaction between two distinct water bodies with different geochemical signatures. This place of mixing forms a very fragile equilibrium where many biogeochemical reactions can occur. The objective of this thesis is to reach a better understanding of mixing and water fluxes in a dynamic context within the hyporheic zone. An innovative method was used by coupling a "classic" hydrogeological approach with hydrodynamic and geochemical measurements with Electrical Resistivity Tomography (ERT). Several field campaigns were done on the Essonne river as experimental site. A large number of measurements were done at various periods of the year and field equipment for water sampling and measurements were installed during these three years. Technical and innovative experiments were conducted such as a dam lowering and rising and an artificial salt tracer test in collaboration with the federation in charge of organization and management of the Essonne network. Finally, a 3D-model of the studied area was built with the HydroGeosphere software. The main hydrodynamic parameters have been tested in order to understand their impact and their variation in a static or dynamic environment on the hyporheic system and its development. In addition, field experiments were reproduced to compare the experimental and theoretical approach.

Afin d'analyser le rôle de la saturation partielle sur la vitesse de phase et l'atténuation des ondes P directes, nous avons élaboré une expérience en laboratoire dans la gamme du kiloHertz. Celle-ci permet une corrélation avec les mesures de terrain et limite les effets d'échelle induits par l'utilisation des traditionnelles mesures ultrasoniques. Le montage expérimental est composé d'un container rempli de sable, équipé d'accéléromètres et de sondes de teneur en eau. Une propagation d'onde est générée par une source mécanique constituée d'une bille en métal frappant une plaque de granite. Plusieurs cycles d'imbibition/drainage sont réalisés entre les saturations résiduelles en eau et en air. Une transformée continue en ondelette a été choisie pour le traitement des données sismiques et validée numériquement par une simulation de propagation d'ondes dans un milieu viscoélastique 2D (code Specfem2D). En imbibition et en drainage, la vitesse de phase décroît avec l'augmentation de la saturation, ce qui peut être expliqué par la limite Biot-Gassmann-Wood (BGW) de la théorie de Biot. Ce comportement, typique des mesures de terrain, indique qu'il est possible de considérer le mélange de fluides (eau et air) comme un fluide effectif. L'interprétation de l'atténuation est plus complexe et ne peut être expliquée par le mécanisme de relaxation de flux macroscopique de la théorie de Biot. Il est nécessaire d'introduire une contribution viscoélastique reliée aux pertes frictionelles grain-à-grain et décrite par un modèle à Q constant. De plus, un hystérésis entre imbibition et drainage est observé et expliqué en introduisant une perméabilité effective du mélange, dépendante des perméabilités relatives à l'eau et à l'air.

Le territoire burkinabè est constitué à plus de 80% de formations de socle. Ces formations renferment des ressources en eau souterraine qui constitue la seule source en eau potable de certaines populations. Cependant, le quart des forages réalisés en vue d’exploiter ces eaux sont négatifs. Une bonne compréhension du fonctionnement hydrogéologique et hydrodynamique des aquifères de socle qui sont très hétérogènes peut aider à résoudre ce problème. L’objectif de la thèse est de proposer un modèle conceptuel hydrogéologique en milieu de socle fracturé soudano-sahélien en combinant différentes méthodes hydrogéophysiques et hydrogéologiques classiques. Le site expérimental de Sanon (environ 14 km2) a été choisi comme site d’étude en raison de sa géologie qui est représentative de certaines formations de socle de l’Afrique de l’Ouest. Les résultats indiquent que le profil d’altération de Sanon est cohérent avec d'autres modèles proposés ces dernières années, suggérant que la conductivité hydraulique des aquifères de socle est une conséquence des processus d'altération plutôt que de la fracturation tectonique. Concernant les propriétés hydrodynamiques, une corrélation linéaire positive d’environ 80% a été obtenue entre les transmissivités et les paramètres RMP. La présence d’un dôme piézométrique dans la vallée centrale a été observée en toute saison. La recharge se fait directement au niveau de ce dôme piézométrique (11 et 13% de la pluie annuelle) et l’alimentation des zones périphériques se ferait plutôt par des transferts latéraux. L’ensemble des informations géologiques et hydrogéologiques a permis de faire une simulation numérique qui reproduit l’écoulement observé. / More than 80% of Burkina Faso subsoil is composed of hard rocks. These hard rocks contain ground water resources which are the only drinking water for some people. Yet, the quarter of the boreholes drilled to exploit these waters are negative. A good understanding of the hydrogeological and hydrodynamic functioning of hard rock aquifers which are very heterogeneous can help to solve that problem. The objective of the thesis is to propose a hydrogeological conceptual model of hard rock aquifer under Sudano-Sahelian climate by combining different hydrogeophysical and hydrogeological methods. The Sanon experimental site (14 km² catchment area) was chosen as the study site because of its geology, which is representative of some hard rocks in West Africa. The results show that Sanon weathering profile model is consistent with other models proposed in recent years, suggesting that the hydraulic conductivity of hard rock aquifers is a consequence of weathering processes, rather than tectonic fracturing. Concerning hydrodynamic properties, a positive linear correlation of about 80% was obtained between the transmissivities and the MRS parameters. The presence of a piezometric dome in the central valley on all the piezometric maps produced in both low and high waters was observed. As for recharging, it is done directly in the zone of the piezometric dome (between 11 and 13% of annual rainfall) and the feeding of the peripheral zones would be rather by lateral transfers. The set of geological and hydrogeological data allowed the performance of a numerical simulation in steady state which reproduces well the observed flow.

La Zone Non Saturée (ZNS) peut jouer un rôle majeur pour la circulation et le stockage de l'eau dans les hydrosystèmes karstiques mais ces mécanismes restent peu connus. L'hydrogéophysique peut-elle permettre d'évaluer les variations spatiales et temporelles du stock de l'eau de la ZNS pour améliorer la compréhension de son fonctionnement ? En 2011 et 2012 différents outils ont été utilisés sur un site expérimental à l'aplomb du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel (LSBB) dans le bassin d'alimentation de la Fontaine de Vaucluse afin d'en étudier la structure et le fonctionnement hydrogéologique. Ces investigations se sont déroulées selon une méthodologie comprenant quatre phases : (1) phase préliminaire d'étude géologique et hydrogéologique (2) caractérisation géophysique de la stucture géologique (3) caractérisation hydrogéophysique du fonctionnement hydrodynamique (4) synthèse par géomodélisation 3 D. Les résultats obtenus sur le site expérimental soulignent le potentiel de l'hydrogéophysique en milieu karstique et valident la méthodologie proposée. Les investigations ont permis d'identifier rapidement des structures géologiques pouvant jouer un rôle majeur dans la régulation des flux d'eau. Des variations saisonnières du stock d'eau ont été mesurées jusqu'à plusieurs dizaines de mètres dans la ZNS. Le suivi géophysique évènementiel a permis d'imager l'hétérogénéité spatiale et temporelle de la recharge. Enfin, la géomodélisation s'avère essentielle dans la méthologie proposée pour synthétiser les connaissances du site, finaliser le schéma de fonctionnement et poser les bases de futurs travaux de modélisation hydrodynamique dans la ZNS du karst. / Karst Unstatured Zone can play a major hydrodynamic role but water flow and storage mechanisms remains poorly known. Can hydrogeophysics help assessing the spatial and temporal waterstorage variation in UZ and improve understanding karst UZ functioning ? In 2011 and 2012, various tools have been employed on an experimental site above the low noise underground research laboratory of Rustrel (LSBB) within the Fontaine de Vaucluse catchment, in order to study the hydrogeological structure and functioning. These investigations were conducted using a methodology including four phases : (1) Preliminary study of geological and hydrogeological contexte, (2) Geophysical characterization of the geological features, (3) Hydrogeophysical characterization of the hydrodynamic functioning, (4) 3D geomodeling of the karst UZ. The acquired results highligth the potential of hydrogeophysical investigation in karst media and validated the proposed methology. These investigations allowed a fast identification of geological structures which may play a major role in water flow regulation. Seasonal variations in water storage were measured until several tens of meters deep within the UZ. Hydrogeophysical monitoring allowed imaging spatial and temporal heterogeneityof recharge; Finally, the geomodeling is essential within the proposed methology to synthesize site knowledge, finalize the conceptual functioning schema and lay the foundation for future work of hydrodynamicmodeling in karst UZ / La Zona No Saturada (ZNS) puede jugar un papel importante en la circulación y el almacenamiento del agua en los hidrosistemas kársticos, sin embargo sus mecanismos son poco conocidos. ¿La hidrogeofísica podría evaluar las variaciones espaciales y temporales del agua subterránea de la ZNS para mejorar la comprensión de su comportamiento?En el año 2011 y 2012, diferentes herramientas fueron utilizadas en un sitio experimental del Laboratorio Subterráneo de Bajo nivel de Ruido (LSBB, siglas en francés) ubicada en la cuenca de alimentación de la Fontaine de Vaucluse (Francia) con el propósito de estudiar su estructura y comportamiento hidrogeológico. Estas investigaciones fueron desarrolladas según una metodología compuesta de cuatro fases: (1) una fase preliminar de estudio geológico e hidrogeológico, (2) una caracterización geofísica de la estructura geológica, (3), una caracterización hidrogeofísica del comportamiento hidrodinámico, y (4) una síntesis por geomodelización 3D.Los resultados obtenidos en el campo validan la metodología utilizada y muestran la importancia del uso de la hidrogeofísica en el estudio del medio kárstico. Las investigaciones permitieron identificar rápidamente las estructuras geológicas que juegan un rol importante en la regulación de los flujos de agua. Las variaciones temporales del agua subterránea fueron medidas hasta varias decenas de metros de profundidad en la ZNS. El monitoreo geofísico de eventos puntuales permitió realizar una representación grafica de la heterogeneidad espacial y temporal de la recarga. Finalmente, la geomodelización es considerada como parte esencial en la metodología propuesta para sintetizar los conocimientos del área de estudio, finalizar el esquema del funcionamiento y proponer las bases de los futuros trabajos en modelización hidrodinámica de la ZNS del karst. / يمكن للطبقة غير المشبعة٬ في نظم المياه الجوفية ذات الطبيعة الجيرية (الكارست) أن تلعب دورا مهما في حركة و تخزين المياه الجوفية٬ لكن آليات عمل هذه الطبقة تبقى إلى حد ما مبهمة. إن السؤال الذي يبقى مطروحا : هل بإمكان علم الهيدروجيوفيزياء أن يمكننا من تقييم التغيرات في البعدين المكاني و الزمني لمخزون المياه في الطبقة غير المشبعة بغية تطوير فهمنا لآلية عملها؟خلال الفترة الممتدة بين سنتي 2011 – 2012 م٬ تم إستخدام العديد من الأدوات في حقل تجريبي على مستوى المختبر التحت أرضي عديم التشويش بروستال بفرنسا (LSBB de Rustel)٬ والذي يتواجد في حوض التغذية لمنبع الفوكلوز(Fontaine de Vaucluse) بغية دراسة بنية الطبقة غير المشبعة للكارست و كيفية أدائها فيما يتعلق بالمياه الجوفية. إن هذه الأبحاث نفذت بمنهجية مكونة من أربعة مراحل٬ و هن كالآتي: (1) المرحلة الابتدائية و تخص الدراسة الجيولوجية و الهيدروجيولوجية٬ (2) التوصيف الجيوفيزيائي للبنية الجيولوجية٬ (3) التوصيف الهيدروجيوفيزيائي لحركة الطبقة المائية٬ (4) الخلاصة من خلال إنشاء نموذج جيولوجي ثلاثي الأبعاد.إن النتائج المتحصل عليها في الموقع التجريبي أظهرت أهمية الهيدروجيوفيزياء في الوسط الكارستي و أكدت نجاعة المنهجية المقترحة. إن الأبحاث المنجزة٬ مكنت في وقت وجيز٬ من تحديد البنيات الجيولوجية التي يمكن أن تلعب دورا مهما في معادلة التدفقات المائية. من منظور آخر٬ مكنتنا الطريقة المقترحة من قياس التغيرات الموسمية للمخزون المائي في الطبقة غير المشبعة (ZNS) و ذلك على عمق عشرات الأمتار. إن الرصد الجيوفيزيائي الحدثي مكن من تصوير التغيرات المكانية و الزمنية لإعادة التغذية. أخيرا يظهر جليا أن النمذجة الجيولوجية ثلاثية الأبعاد ذات الأسس الجيولوجية٬ الهيدروجيولوجية و الجيوفيزيائية٬ أمر أساسي بالنسبة للمنهجية المقترحة من أجل حوصلة معلوماتنا بخصوص الموقع المدروس٬ تكملة مخطط التشغيل و وضع أسس الأعمال المستقبلية لنماذج حركة المياه خلال الطبقة غير المشبعة لأحواض المياه الجوفية ذات الطبيعة الجيرية (الكارست Karst).المفردات الرئيسية:الهيدروجيوفيزياء (علم جيوفيزياء المياه الجوفية)، الكارست (حوض مائي جوفي ذو طبيعة جيرية)، إعادة تغذية الطّبقة المائيّة، الطّبقة غير المشبّعة (ZNS)، النّمذجة الجيولوجيةGéomodélisation) )، منبع الفوكلوز (ontaine deF Vaucluse)، المختبر التحت أرضي عديم التشويش بروستال بفرنسا (LSBB de Rustel). / 非饱和带对喀斯特地区水分的运动和存储具有重要作用，但是这一机制仍然不太清楚。水文地球物理学方法是否有助于评估非饱和带水分存储的时空变异，并深化我们对喀斯特非饱和带功能的认识？为了研究沃克吕兹泉流域的水文地质结构和功能，分别于2011和2012年，在吕斯特勒地区地下低噪声试验室(lsbb)上方的试验点进行了各种试验。研究内容包括四个部分：(1)：初步的地质和水文地质调查；(2)：地质结构的地球物理方法勘探；(3)：水动力过程的水文地球物理监测；(4) 喀斯特非饱和带结构的三维模拟。研究结果表明，水文地球物理学方法在喀斯特地区的研究中具有很大应用潜力，并检验了我们提出的方法的可靠性。利用这种方法，对对水流调节起主要作用的地质结构进行了快速识别；对深达几十米的非饱和带储水量的季节性变化进行了监测；对地下补给过程的时空异质性进行了成像。最后，综合研究区的各种信息，建立地学模型，确定了水文地质结构和功能的概念模式，为后续喀斯特非饱和带水动力学过程模拟研究奠定了基础。

L’île de La Réunion a été couverte par une vaste campagne de géophysique héliportée en 2014. Le dispositif SkyTEM a permis de cartographier l’anomalie du champ magnétique et la résistivité électrique du sous-sol jusqu’à 300 m de profondeur, et ce, sur l’ensemble de l’île. L’acquisition de ce jeu de données met en évidence la problématique de l’interprétation des données électromagnétiques héliportées à l’échelle régionale. L’interprétation d’un modèle 3D de résistivité d’une superficie 2 500 km2 nécessite la mise en place de méthodologies innovantes pour le confronter aux données géologiques, climatiques et hydrogéologiques. L’objectif de la thèse est de valoriser ce jeu de données géophysique à l’échelle régionale en intégrant l’analyse hydrogéologique à différentes échelles spatiales. Pour répondre à ces problématiques, cette thèse s’organise autour d’une méthodologie hydrogéophysique multi-échelle qui permet d’étudier la répartition et le fonctionnement des aquifères à des échelles inédites jusqu’alors. Pour interpréter les 350 000 sondages électromagnétiques de la campagne, une approche statistique a été développée pour synthétiser une information sur les contrastes 3D en 2D. Les résultats, cohérents avec les connaissances géologiques et hydrogéologiques de l’île, ont permis d’analyser l’impact des paramètres géologiques et climatiques régionaux sur la répartition des aquifères et les processus d’altération. Sur le littoral, les données de résistivité sont confrontées à des logs de conductivité électrique de l’eau souterraine afin de valider l’interprétation de la géophysique. Le modèle de résistivité permet ainsi de cartographier et d’analyser les paramètres de contrôle du phénomène d’intrusion saline à l’échelle de l’île. En altitude, l’utilisation conjointe des données électromagnétiques et magnétiques héliportées permet de caractériser la géométrie des structures géologiques et d’imager les profils et paléo-profils d’altération météorique. / In 2014, Reunion Island was covered by a vast airborne geophysics campaign. The SkyTEM device mapped magnetic anomalies and bulk resistivity at an extra 300 m depth throughout the island. The resulting dataset revealed the issue of interpreting airborne electromagnetic data at the regional scale. The interpretation of a 3D resistivity model wrapping 2 500 km2 requires the implementation of innovative methodologies to compare it with geological, climatic and hydrogeological data. The aim of the thesis is to enhance this geophysical dataset at the regional scale by integrating hydrogeological analysis at different spatial scales. To answer these issues, this thesis revolves around a multi-scale hydrogeophysical methodology, which allows to analyze how aquifers are distributed and their behaviors on unprecedented scales. A statistical approach has been developed to synthesize 3D geo-electrical contrasts in 2D to interpret the 350 000 soundings. All outcomes are consistent with the geological and hydrogeological knowledge of the island, enabling us to study how regional geological and climatic parameters impact the distribution of aquifers and weathering processes. In the coastal zone, resistivity data are compared with groundwater electrical conductivity logs to validate the interpretation of geophysics. Thus, the resistivity model helped mapping saltwater intrusion and analyzing its control parameters at the island scale. Inland, the combined use of airborne electromagnetic and magnetic data made it possible to characterize the geometry of geological structures and to image weathering profiles and paleo-profiles. Combining results gathered on various scales allows the analysis of weathering impact on aquifers of shield volcanoes. On the coastal zone, un-weathered and highly permeable lithological units (up to 10-1 m/s) are subject to saltwater intrusion, even with recharge rates up to 6 to 8 m per year. With decreasing transmissivity, aquifers become less exposed to saltwater intrusion. According to geophysics outcomes, the contacts between different eruptive phase products at high altitude are characterized by specific weathering paleo-profiles which create permeability contrasts conducive to perched aquifers establishment. Examining the geophysical response in different areas of the island made it possible to analyze the dynamics of weathering processes, initially controlled by the age of the formations and secondly, by the rainfall rates and the temperature. These results showed that weathering and structure of basaltic volcanoes depend on their age and on windward/leeward slopes. Thus, our research helped improve the accuracy of the conceptual hydrogeological model including geological structuring and time evolution of basaltic volcanic aquifers in an insular environment.

Le coefficient d'électrofiltration est simulé par méthode Lattice Boltzmann dans un chenal 2-D sur une grande gamme de salinité. L'influence de la permittivité et de la viscosité est discutée. La validité de l'équation d'Helmholtz Smoluchowski à de forts potentiels zeta est évaluée. Un modèle de conductivité intrinsèque est développé en prenant en compte les variations locales de conductivité, qui ont un impact significatif en la présence d'espèces polyvalentes. Étendu aux conditions non saturées, l'algorithme montre que la densité de charge électrique associée à l'interface eau-air est une composante clé. Le coefficient présente une attitude non monotone, avec une augmentation par rapport à l'état saturé. L'amplitude de cette augmentation dépend de l'état dynamique des bulles, mobiles ou piégées. L'aspect transport multiphasique est complété par une étude numérique de l'impact de la forme des échantillons sur la mesure des lois reliant saturation et pression capillaire en hydrologie. / The electrokinetic coefficient is simulated in a large range of salinities using the Lattice Boltzmann method in a 2-D channel. The effect of permittivity and viscosity is discussed. The validity of the Helmholtz Smoluchowski equation using strong zeta potentials is assessed. A model of bulk fluid conductivity is derived, taking into account the local variations of conductivity which have a significant impact in the presence of polyvalent counterions. Extended to unsaturated conditions, the model shows that the electrical charge density associated to the air-water interface is a key component. The coefficient shows a non monotonous behaviour, with an enhancement compared to the saturated state. The magnitude of this enhancement depends on the dynamic state of the bubbles, moving or entrapped. The multiphase transport aspect is associated to a numerical study of the influence of the sample geometry on the measurement of the capillary pressure / saturation relationships used in hydrology.

La caractérisation et le monitoring des ressources en eau souterraine et des processus d'écoulement et de transport associés reposent principalement sur la mise en place de forages (piézomètres). Mais la variété des échelles auxquelles se déroulent ces processus et leur variabilité dans l'espace et dans le temps limitent l'interprétation des observations hydrogéologiques. Dans un tel contexte, l'hydrogéophysique fait appel aux méthodes de prospection géophysique afin, notamment, d'améliorer la très faible résolution spatiale des données de forage et de limiter leur caractère destructif. Parmi les outils géophysiques appliqués à l'hydrogéologie, les méthodes sismiques sont régulièrement utilisées à différentes échelles. Mais la réponse sismique dans le contexte de la caractérisation des aquifères reste complexe. L'interprétation des vitesses estimées est souvent délicate à cause de leur variabilité en fonction de la lithologie de l'aquifère (paramètres mécaniques intrinsèques et géométrie des milieux poreux le constituant, influence du degré de saturation, etc). La perméabilité du milieu a également un effet sur la géométrie d'un réservoir hydrologique dont les contours peuvent varier en espace comme en temps, compliquant ainsi l'interprétation des données sismiques.Les géophysiciens cherchent à pallier ces limites, notamment à travers l'étude conjointe des vitesses (Vp et Vs) des ondes compression (P) et de cisaillement (S), dont l'évolution est par définition fortement découplée en présence de fluides. D'un point de vue théorique, cette approche se révèle appropriée à la caractérisation de certains aquifères, en particulier grâce à l'estimation des rapports Vp/Vs ou du coefficient de Poisson. L'évaluation de ces rapports peut être pratiquée de manière systématique grâce à la tomographie sismique en réfraction en utilisant parallèlement ondes P et S. Mais d'un point de vue pratique, la mesure de Vs reste délicate à mettre en oeuvre car les ondes S sont souvent difficiles à générer et à identifier sur les enregistrements sismiques. Une alternative est proposée par l’estimation indirecte de Vs à partir de l’inversion de la dispersion des ondes de surface, réalisée à partir de mesures de la vitesse des ondes de surface contenues dans les enregistrements sismiques classiques. Bien que généralement proposée pour la caractérisation de milieux 1D, la prospection par ondes de surface peut être déployée le long de sections linéaires dans le but de reconstruire un modèle 2D de distribution des Vs du sous-sol.Une méthodologie a été mise au point afin d'exploiter simultanément et de façon optimale les ondes P et les ondes de surface à partir des mêmes enregistrements sismiques. Lors de sa mise en oeuvre sur le terrain, cette acquisition « en ondes P » a été systématiquement suivie d'une acquisition « en ondes SH » afin de comparer les vitesses Vs obtenues par analyse de la dispersion des ondes de surface et par tomographie en ondes SH. L'utilisation de cette méthodologie dans différents contextes géologiques et hydrogéologiques a permis d'estimer les variations latérales et temporelles du rapport Vp/Vs, en bon accord avec les informations géologiques a priori et les données géophysiques et piézométriques existantes. L'utilisation de l'interférométrie laser a également permis de mettre ces techniques de traitement en application sur des modèles physiques parfaitement contrôlés afin d'étudier la propagation des ondes élastiques dans des « analogues » réalistes de milieux poreux partiellement saturés. / Characterisation and monitoring of groundwater resources and associated flow and transport processes mainly rely on the implementation of wells (piezometers). The interpretation of hydrogeological observations is however limited by the variety of scales at which these processes occur and by their variability in space and in time. In such a context, using geophysical methods often improves the very low spatial resolution of borehole data and limits their destructive nature. Among the geophysical tools applied to hydrogeology, seismic methods are commonly used at different scales. However, the seismic response in the context of aquifer characterisation remains complex. The interpretation of the estimated velocities is often difficult because of their variability depending on the aquifer lithology (intrinsic mechanical parameters and geometry of the constituting porous media, influence of the degree of saturation, etc). The permeability of the medium also affects the geometry of a hydrological reservoir whose contours may vary in space and in time, thus complicating the interpretation of seismic data. Geophysicists seek to overcome these limitations, especially through the joint study of compression (P-) and shear (S-) wave velocities (Vp and Vs), whose evolution is by definition highly decoupled in the presence of fluids. From a theoretical point of view, this approach proves suitable for the characterisation of aquifers, especially by estimating Vp/Vs or Poisson's ratio. The evaluation of these ratios can be systematically carried out with seismic refraction tomography using both P- and S-waves. However, retrieving Vs remains practically delicate because S-waves are usually difficult to generate and identify on seismic records. As an alternative, indirect estimation of Vs is commonly achieved thanks to surface-wave dispersion inversion, carried out from measurements of surface waves phase velocities contained in typical seismic records. Although it is usually proposed for the characterisation of 1D media, surface-wave prospecting can be deployed along linear sections in order to build 2D models of Vs distribution in the ground. A specific methodology has been developed for the combined and optimised exploitation of P- and surface waves present on single seismic records. When deployed on the field, this "P-wave" acquisition has been systematically followed by a "SH-wave" acquisition in order to compare Vs models obtained from surface-wave dispersion analysis and SH-wave refraction tomography. The use of this methodology in several geological and hydrogeological contexts allowed for estimating Vp/Vs ratio lateral and temporal variations in good agreement with a priori geological information and existing geophysical and piezometric data. Laser-based ultrasonic techniques were also proposed to put these processing techniques in practice on perfectly controlled physical models and study elastic wave propagation in partially saturated porous media.

La caractérisation d'un aquifère est classiquement réalisée à partir d'études géologiques, piézométriques, géochimiques et de pompages d'essai. Ces techniques d'étude présentent certaines limites, qui peuvent néanmoins être réduites par l'utilisation de méthodes complémentaires comme certaines méthodes géophysiques. L'objectif de cette thèse est de quantifier l'amélioration apportée par les informations géophysiques dans la caractérisation hydrogéologique des aquifères. Deux contextes géologiquessont sélectionnés pour les difficultés qu'ils posent à la caractérisation hydrogéologique, l'importance des questions sociétales qui s'y posent et leur pertinence dans le cadre des interventions humanitaires : les aquifères de socle cristallin et les lentilles d'eau douce des cordons sableux côtiers. Les résultats d'une étude numérique et leur validation sur deux sites expérimentaux en Inde montrent que les informations complémentaires apportées par la technique de panneau électrique et la méthode de sondage par résonance magnétique des protons (RMP) permettent de préciser l'interprétation de pompages d'essai en contexte de socle. L'incertitude sur la transmissivité est réduite en moyenne de 39 % et celle sur le coefficient d'emmagasinement de 34 %. Cette approche hydrogéophysique permet ainsi de mieux décrire le milieu souterrain, et de proposer des modèles conceptuels plus complets. En milieu côtier sableux dans le Sud de l'Inde, l'utilisation combinée d'observations piézométriques, de la loi d'Archie et des méthodes de sondage électromagnétiques en domaine temporel (TDEM) et RMP permet de quantifier un volume d'eau douce disponible de 510 litres en moyenne par mètre carré de surface au sol avant la mousson dans la partie inhabitée (contre 420 L/m2 dans la partie habitée), et 670 L/m2 après la mousson (contre 450 L/m2 dans la partie habitée). Ces volumes auraient été surestimés de près de 40 % si une approche basée uniquement sur le TDEM et la loi d'Archie avait été utilisée. Le suivi temporel des mesures géophysiques permet également d'estimer la recharge nette de l'année hydrologique 2008 à 140 mm sur ce cordon (pour 2030 mm de précipitations). De plus, ce cordon sableux présente un champ géomagnétique hétérogène, qui rend la mesure de signaux de Free induction decay, (FID, classiquement enregistrés en sondage RMP) difficile. Une nouvelle procédure de mesure et d'interprétation basée sur des signaux d'écho de spin a donc été testée et validée expérimentalement. La caractérisation du milieu avec ce nouveau protocole permet de préciser la teneur en eau du milieu, sous-estimée de 26 % par le protocole FID. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche d'une relation quantifiée entre la teneur en eau RMP et les différentes porosités hydrogéologiques.