L'étude des milieux hétérogènes carbonatés et karstifiés trouve aujourd'hui de nombreuses applications dans les problématiques environnementales, comme la description fine de la structure d'un réservoir côtier, support d'un aquifère affecté par une intrusion d'eau salée. Au sud de l'ile de Majorque (Baléares, Espagne), la plate-forme carbonatée de Llucmajor représente un site privilégié pour ce type d'étude.La caractérisation des hétérogénéités ne peut être réalisée sans une description préalable des propriétés des réservoirs carbonatés et des facteurs modifiant la structure du réservoir. Un des paramètres clés définissant la structure hétérogène est la porosité. Au regard de la large gamme de tailles d'hétérogénéités allant du micromètre à la centaine de mètre, l'utilisation de méthodes multi-échelles est nécessaire.Ce travail de thèse a porté sur la détermination multi-échelles de la porosité, allant de la microporosité à la porosité karstique, et l'établissement de relations entre les changements d'échelles d'observation de ces propriétés. Dans un premier temps, l'application de la microtomographie à rayons X extrait la microporosité et la connectivité des réseaux microporeux. Puis, la tomographie a été utilisée avec une résolution plus faible afin d'étudier le réseau micro- et macroporeux à l'échelle de la carotte. A l'échelle du puits, les images de paroi de puits permettent de déterminer la porosité allant des macropores centimétriques aux karsts. Enfin, la géophysique de surface a permis d'observer l'extension des karsts et hétérogénéités dans une grande partie du site.Ainsi, la structure poreuse du site étudié a été intégrée dans la géologie régionale de la plate-forme. L'observatoire installé sur le site pour surveiller la propagation de l'eau salée dans l'aquifère peut être replacé dans son contexte géologique et pétrophysique, afin d'affiner l'interprétation de ses mesures de variations de salinité. / The study of heterogeneous and karstified carbonates is important in many environmental issues, like the detailed description of a coastal reservoir structure containing an aquifer affected by saline intrusion. At the south of the island of Mallorca (Spain), the Llucmajor carbonate platform represents a typical site for such researches. Characterization of heterogeneities requires a better knowledge of the carbonate reservoir properties and the various factors affecting the structure. One of the key parameters defining the heterogeneous structure is the porosity. According to the wide range of heterogeneity sizes from micrometer to hundreds of meters, the use of multiscale methods is required.This thesis focused on the determination of multiscale porosities from the microporosity to karstic porosity, and of relationships between observation scale changes of these properties. Firstly, the application of X-ray microtomography allows to extract the microporosity and the microporous network connectivity. Then, X-ray tomography was used with a lower resolution to study the micro- and macro-porous network at the core scale. At the borehole scale, the borehole wall images are used to determinate macrostructures from centimeter pores to karsts. Finally, surface geophysics allows to observe the extension of karst and heterogeneities at the site scale.Finally, the porous structure of the study site is integrated into the regional geology of the platform. A hydrogeophysical observatory was installed on site to monitor the spreading of salt water in the aquifer. The interpretation of its salinity measurements can take into account the geological and petrophysical context.