Pour mieux appréhender les mécanismes de transfert des gaz (CO2 et CH4) dissous dans l’eau porale des formations des marnes du site de Bure et des argiles à Opalinus (AOP) du Mt Terri dans leur état initial, un capteur infrarouge (IRTF) et un banc optique Raman innovant ont été développés et installés en laboratoire souterrain. Ces capteurs sont intégrés au dispositif de l’expérimentation « d’équilibration de gaz » développée par l’Andra (PAC) qui vise à suivre l’évolution d’une phase gazeuse initialement neutre au contact de la formation et de son eau porale grâce à un forage effectué et maintenu dans des conditions anaérobiques. Ces capteurs permettent un suivi quantitatif in situ et en ligne des gaz libérés par la formation à basse pression totale (<1,3 bar). Les modèles quantitatifs développés pour la mesure infrarouge ont une erreur relative moyenne de 1,66 % pour la pCO2 (mbar.m) et de 1,37 % pour la pCH4 (mbar.m). L’instrumentation IR d’un forage sur le site du Mt Terri et de deux forages sur le site de Bure (faciès C2b1 et C2d) a permis d’obtenir les courbes de transfert des deux gaz. Les courbes de transfert du CH4 ont été modélisées par un modèle de diffusion-advection qui ont permis l’évaluation de la concentration locale en CH4 dissous dans l’eau porale : elles sont comprises entre 3,06 et 14,23 mg.L-1 pour les AOP, et entre 0,36 et 1,28 mg.L-1 pour le faciès C2d et entre 0,56 et 1,55 mg.L-1 pour le faciès C2b1 des argilites de Bure. On montre que les équilibres eau/gaz/roche gouvernent la pCO2 après forage alors que la diffusion/advection explique son évolution sur le long terme. Une origine intraformationnelle des alcanes dissous est envisagée / An infrared sensor (IRTF) and an innovative Raman optical bench were implemented and developed in underground laboratories to improve our knowledge about migration mechanisms of dissolved gases (CO2 and CH4). This study is focussed on the characterisation of the initial state of the porewater of Callovo-Oxfordian marl (Bure) and Opalinus Clay (Mt Terri Middle Jurassic). These sensors are integrated into experimental devices of gas-equilibration test developed by Andra (PAC) to follow the gaseous phase behaviour in contact with the rock formation through a borehole drilled and maintained in anaerobic conditions, and initially filled with pure argon. These in situ sensors allow, on line quantitative analysis of gases released by the rock formation at low bulk pressure (<1.3 bar). Quantitative models were developed to transform peak intensities in partial pressures of gas. They give mean absolute relative errors about 1.66 % for pCO2 (mbar.m) and 1.37 % for pCH4 (mbar.m). Three years of IR monitoring of one borehole on the site of Mt Terri and two boreholes on the site of Bure (facies C2b1 and C2d) have been led. CH4 transfer curves were modelled by diffusion-advection. CH4 concentration in porewater from non-perturbed rock formation is estimated from all the experiments: concentrations between 3.06 and 14.23 mg.L-1 was obtained for Opalinus Clay, between 0.36 and 1.28 mg.L-1 for C2d facies and between 0.56 and 1.55 mg.L-1 for C2b1 facies in Callovo-Oxfordian marls of Bure. Gas/rock/water balance governs pCO2 after drilling, whereas diffusion/advection laws explain CO2 long-term profiles. An intra-formational origin of the organic gases can be proposed

Cette thèse touche à la problématique des échanges de gaz aux interfaces entre la géosphère, la biosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère par l'intermédiaire du monitoring géochimique des gaz appliqué aux sites de stockage géologiques du CO2. Au niveau de l'axe « Métrologie », nous avons développé une plate-forme de monitoring géochimique continu, in situ et déportée par spectrométrie FTIR/Raman pour la mesure des gaz du sol (CO2, CH4, N2, O2, H2O). Des protocoles de quantification ont été développés pour la mesure par télédétection infrarouge terrestre en mode passif du CO2, CH4, SO2, H2S dans l'atmosphère. Au niveau des axes « Monitoring » et « Modélisation », les mesures de gaz du sol à proximité du puits d'injection de Rousse (Pilote CO2 Total, Lacq/Rousse, France) sur plus de sept cycles saisonniers ont montré une anti-corrélation entre la teneur en CO2 et les variations du niveau piézométrique de la nappe. Cette relation a permis de modéliser l'enveloppe de variabilité « naturelle » de la teneur en CO2 dans le sol, qui constitue un élément clé pour la surveillance des sites de stockage. Les variations majeures de teneur en CO2 sont attribuées à des processus de dissolution/libération de CO2 par la nappe, jouant un rôle de pompe à CO2. La concentration en CO2 en surface (+1m) serait gouvernée par les variations de teneur en CO2 du sol. Les mesures par télédétection FTIR des gaz dans l'atmosphère ont permis d'établir pour la première fois une simulation expérimentale 3D des enveloppes de CO2 à l'aplomb du site d'injection. Ces résultats constituent un premier pas vers la mise en place d'un outil de surveillance des panaches gazeux dans l'atmosphère / This study is based on the problematic of gas exchanges at the interface between the geosphere, biosphere, hydrosphere and atmosphere through the geochemical monitoring of gas applied to CO2 geological storage sites. Concerning the "Metrological" aspect, we developed and implemented an in situ continuous geochemical monitoring station, based on coupling FTIR/ Raman spectrometry for measuring soil gas (O2, N2, CO2, CH4 and H2O) close to the injection wells of Rousse 1 (CCS Total pilot, Lacq-Rousse, France). We also developed protocols to identify and quantify CO2, CH4, SO2, H2S in the atmosphere (plume) by passive remote sensing FTIR. On the "Monitoring" and "Modelling" aspects, the continuous recording of soil CO2 concentration during more than 7 seasonal cycles indicate that CO2 concentration in the soil was anti-correlated with changes in piezometric level of the groundwater. This correlation was used to model the limits of natural variability of CO2 content in the soil, which is a key to CCS sites monitoring. The main fluctuations in soil CO2 content was assigned to a dissolution/release process of CO2 by the perched water table, acting as a CO2 pump. The CO2 concentration at the near surface (+ 1 m) would be governed by changes of the soil CO2 content. FITR remote sensing measurement of atmospheric gases allowed for the first time to perform an experimental 3D simulation of CO2 layers on the injection site. This type of experimental simulation is a first step for the monitoring of gases in the atmosphere