Les réservoirs géologiques fracturés ont une place importante parmi les défis environnementaux et économiques du 21e siècle. En effet, ils sont associés tantôt au stockage de fluides en profondeur comme les déchets nucléaires, tantôt à la production de ressources fondamentales pour nos sociétés comme l'énergie géothermique. Les écoulements préférentiels au sein des roches fracturées sont façonnés par des réseaux de fractures qui rendent le milieu très hétérogène et anisotrope, et dont la structure et les propriétés physiques sont difficiles à déterminer, car elles dépendent notamment de l'échelle d'investigation et de la connectivité des réseaux. Dans cette thèse, nous évaluons le potentiel informatif des méthodes de déformations de surface, en particulier l'inclinométrie, pour suivre et décrire les réservoirs fracturés à trois échelles importantes. Les inclinaisons de la surface du sol, ou tilt, sont en effet très sensibles aux flux souterrains et par conséquent à l'impact des structures conductrices principales. Dans un premier temps, nous développons la stratégie méthodologique visant à interpréter les signaux inclinométriques. A l'aide d'un modèle élastique et à travers une exploration systématique de l'espace des paramètres géométriques, nous avons observé que le tilt est principalement sensible au pendage et à l'extension en profondeur d'une fracture, mais que cette sensibilité dépend de l'endroit où sont placés les instruments en surface. Nous validons ensuite l'approche hydrogéodésique en couplant un suivi temporel fin des déformations à l'aide d'inclinomètres longue-base, et une cartographie bien distribuée des déplacements verticaux par nivellement optique, au cours d'une mise en charge d'une zone de faille pendant quelques heures. Les observations sont honorées avec succès à l'aide d'un modèle hydromécanique simple permettant notamment d'estimer l'emmagasinement de la faille, en accord avec des études passées utilisant des méthodes différentes. Une modélisation poro-mécanique du problème de diffusion de pression au sein d'une zone de faille sub-verticale, incluse dans une matrice moins transmissive, a permis de démontrer que le signal transitoire de déformation en surface rend compte des propriétés mécaniques de la faille, ainsi que du fonctionnement hydromécanique du système dans son ensemble. Ensuite, nous avons développé une approche expérimentale permettant de suivre les déformations en surface associées à la mise en pression de fractures profondes et horizontales d'extension métrique. Grâce à la nature oscillatoire de la charge hydraulique imposée, nous avons pu identifier la signature des variations d'ouverture des fractures testées dans le signal d'un inclinomètre pendulaire. Les amplitudes trouvées, de l'ordre de 10 nanoradians pour quelques centimètres de charge hydraulique, permettent d'obtenir des estimations cohérentes de la raideur des fractures. Enfin, nous avons abordé la problématique des flux saisonniers au sein d'un aquifère de socle fracturé et son lien avec la recharge. Le signal inclinométrique est fortement corrélé aux variations piézométriques annuelles du site d'étude mais possède la singularité importante d'être en avance de phase d'environ un mois. Nous interprétons avec succès les chroniques inclinométriques à l'aide d'un modèle hydromécanique 1D, et mettons en valeur le fait que la méthode présente un intérêt pour déterminer la géométrie du réservoir à large échelle, et est sensible aux modalités de la recharge (diffuse versus focalisée, dans le temps et l'espace) davantage encore que ne l'est la piézométrie. Ce résultat inédit ouvre des perspectives quant à l'estimation des flux liés à la recharge, ce qui est un enjeu majeur pour les questions de gestion de ressource en eau. Nous concluons donc que l'inclinométrie est une méthode à fort potentiel pour décrire les propriétés et le comportement hydromécanique des réservoirs fracturés, de l'échelle du mètre jusqu'à plusieurs kilomètres. / Fractured geological reservoirs have an important position among the environmental and economical challenges of the 21st century. In fact, they are either associated to deep storage of fluids, like nuclear wastes and carbon dioxide, or to the production of resources that are fundamental in our society, like geothermal energy and water. Preferential flowpaths within fractured rocks are shaped by fracture networks which make the media very heterogeneous and anisotropic. It is difficult to determine their structure and physical properties as they actually depend on the network's connectivity and scale of investigation. In this thesis, we assess the informational potential of surface deformation methods, in particular surface tilt, to monitor and describe fractured reservoirs at three important scales. Indeed, surface tilt is very sensitive to deep sub-surface fluxes and thereby to the impact of main conductive structures. Firstly, we develop the methodological strategy aiming at interpreting surface tilt. Using an elastic model and through a systematic exploration of the geometrical parameter space, we observe that tilt measurements are mainly sensitive to a fault's dip and extension in the dip direction. However, this sensitivity clearly depends on the position of measurement with respect to the fault. In addition, we validate the hydrogeophysical approach by monitoring the deformation induced by the pressurization of a sub-vertical fault zone during a few hours, using continuous long-baseline tiltmeter data and spatially distributed vertical displacements from two optical leveling campaigns. The observations are successfully reproduced by a simple hydromechanical model from which we estimate the fault's storativity, in agreement with previous results obtained from different approaches. A more robust poro-mechanical model of pressure diffusion in a fault embedded in a less permeable matrix is then used to further investigate the information content of transient tilt data. Therewith, we show that surface tilt is sensitive to the mechanical properties of the fault zone and to the hydromechanical functioning of the system as a whole. Secondly, we have developed an experimental approach aiming at monitoring surface deformations generated by the pressurization of deep sub-horizontal fractures of a few meters extent. By imposing an oscillatory hydraulic load at the fractures' inlets, we are able to recognize the signature of their mechanical opening in tilt measurements. The recovered amplitudes lie around 10 nanoradians for a few centimeters of hydraulic head variations. From this we estimate fracture stiffnesses that are consistent in light of published data. Finally, we address the question of seasonal fluxes within a fractured aquifer and its link with recharge.Tilt signals are well correlated with annual head fluctuations at the study site. However, the remarkable difference is that tilt displays a phase lead of about one month with respect to piezometric levels. We interpret tilt time series with a 1D hydromechanical model and highlight the fact that the method is of interest for determining the large scale reservoir's geometry and that it is sensitive to recharge processes (local versus spread recharge, both in space and time). This novel result opens new perspectives as regards the estimation of recharge fluxes which is a major concern for water resources management. Hence, we conclude that surface tilt monitoring is a method with a strong potential to describe the properties and hydromechanical behavior of fractured media, from a few meters' scale up to several kilometers.

La thèse porte sur la caractérisation des réservoirs non conventionnels. Elle cherche à intégrer paramètres sédimentologiques, diagénétiques et structuraux dans un réservoir gréseux "tight" pour prédire ses propriétés hydrauliques. Elle concerne la formation des "Quartzites de Hamra", un des réservoirs pétroliers les plus prolifiques des bassins paléozoïques algériens. Cette formation s’est déposée à l’Arenig dans un environnement marin peu profond. Elle a connu au cours de l’enfouissement une diagenèse siliceuse qui a modifié ses propriétés mécaniques et sa porosité. Les fractures, présentes à toutes les échelles, pallient aux faibles caractéristiques matricielles, et leur géométrie est peu précise. La thèse s’est focalisée sur deux cas de terrain, situés sur la zone de suture panafricaine et un champ à gaz localisé dans la partie centrale du bassin de l’Ahnet. L’étude pluridisciplinaire combine plusieurs approches allant de la télédétection aux analyses de laboratoire. Les résultats montrent que les «Quartzites» se sont déposés dans une rampe sableuse, soumise à une forte hydrodynamique tidale. Le système fracturé est en grande partie influencé par la présence des failles. La diagenèse siliceuse a été favorisée par la maturité minéralogique des faciès et leur richesse en quartz monocristallin. La principale source de silice est interne, et liée à la pression-dissolution. A cette histoire de la diagenèse succède une histoire complexe de la déformation, pendant laquelle on assiste à la création de veines en crack-seal, puis à des circulations hydrothermales, d’une précipitation dominée par les hydroxydes de fer et les phosphates. / This PHD subject is related to the "Characterization of nonconventional reservoirs". It’s purpose is to understand the interactions between sedimentary facies, fracturation and digenesis in a tight gas reservoir, in order to predict its hydraulic properties. This approach was applied to the "Quarzites de Hamra" formation, which is one of the most prolific reservoirs in the Algerian Paleozoic basins. This formation was deposited during Arenig time, in a shallow marine setting, and underwent during its burial history an important quartz cementation which modified its mechanical properties and porosity. Natural fractures are present at all levels and mitigate low matrix porosities, but their geometric attributes still poorly understood and difficult to predict. The thesis was focused on two field cases, located on the Panafrican suture zone, and a tight gas field located in the central part of Ahnet basin. The multi-disciplinary approach we used integrates satellite imagery, field and well data, and laboratory techniques. The results obtained show that the "Quarzites de Hamra" formation was deposited in a tidal clastic ramp. The fracture system is mainly controlled by the presence of faults. The quartz cementation was favored by the mineralogical maturity of the facies and their high mococristalline quartz content. The source of silica is internal, and related to pressure-solution phenomena. The digenetic history is succeeded by a complex history of deformation, during which a system of veins with crack-seal texture was created, followed by hydrothermal circulations resulting mainly in precipitation of phosphates and iron hydroxides.

Cette thèse présente un modèle thermodynamique et cinétique des interactions entre un fluide et des solutions solides idéales à plusieurs pôles. La réaction entre une solution solide et la solution aqueuse résulte de la compétition entre la dissolution stoechiométrique de la solution solide initiale et la coprécipitation de la solution solide la moins soluble dans le fluide à l'instant considéré.<br />Ce modèle a été intégré au logiciel de transport réactif en milieu poreux ARCHIMEDE, puis appliqué à divers exemples. Dans le cas de solutions solides binaires, une méthode graphique a permis de déterminer les compositions des solutions solides qui précipitent, à l'aide des potentiels chimiques des pôles.<br />Le logiciel ainsi obtenu pourrait être utilisé pour modéliser notamment la diagenèse des réservoirs pétroliers argileux ou carbonatés, ou la dispersion de polluants dans le sol.

De par le monde, la gestion des réservoirs hydroélectriques repose largement sur des modèles hydrologiques qui simulent les entrées et les sorties d’eau du système. L’évaporation sur ces réservoirs est typiquement négligée ou calculée de la même façon que l’évapotranspiration sur l’ensemble du bassin versant, bien que les processus régissant ces deux phénomènes diffèrent. Une meilleure quantification de l’évaporation suscite un intérêt grandissant, dû aux changements climatiques qui provoquent une augmentation des pertes en eau par évaporation sur les réservoirs. Cette étude examine divers modèles d’évaporation, et ce, en tenant compte de la réalité dans laquelle les modèles hydrologiques sont opérés de façon générale, c’est-à-dire avec une faible disponibilité de données d’entrée. L’étude se concentre principalement sur deux réservoirs situés dans la zone boréale canadienne, soit Eastmain-1 et Romaine-2. Un jeu de données observées d’évaporation obtenues grâce à la technique de covariance des tourbillons, est utilisé comme référence. De toutes les approches considérées, le modèle de transfert de masse avec un nombre de Dalton constant de 1,2 x 10⁻³ est le plus performant à un pas de temps horaire. Les cumuls journaliers sont également estimés avec une bonne précision autant lors du réchauffement de la masse d’eau que lors de la période de relâchement d’énergie. Des analyses de sensibilité montrent que l’utilisation de ce modèle avec des données limitées est possible, du moins pour les deux réservoirs étudiés. Ces données limitées consistent en la température de l’air et l’humidité relative prises sur la terre ferme à proximité du réservoir, la température de la surface de l’eau mesurée in situ et la vitesse du vent à une hauteur de 10 m prise depuis la berge du réservoir face aux vents dominants. L’application du modèle sur le lac Léman, situé dans une région plus tempérée, donne aussi de bons résultats. / Hydroelectric reservoirs around the world are managed using hydrological models to calculate water inflows and outflows. Evaporation on these reservoirs is typically neglected or calculated in the same way as evapotranspiration over the entire watershed, although the processes governing the two phenomena are different. A better quantification of evaporation is of growing interest in Quebec and internationally due to climate change, which is causing an increase in water losses by evaporation on reservoirs. This study therefore examines various evaporation models for open water bodies, taking into account the practical context in which hydrological models are generally operated, that is with low availability of input data. The study focuses mainly on two reservoirs with contrasting morphometries and located in the Canadian boreal zone, Eastmain-1 and Romaine-2. For this purpose, a set of observed evaporation data obtained using a direct measurement technique called eddy covariance, is used as a reference. Of all the approaches considered, the mass transfer model with a constant Dalton number of 1.2 x 10⁻³ gives the most accurate estimation of evaporation at hourly time steps. Daily totals are also estimated with good accuracy both during the warming of the water body in spring and during the energy release period in fall. Sensitivity analysis show that the use of this model with limited data is possible, at least for the two reservoirs studied. These limited data consist of air temperature and relative humidity taken on land in the vicinity of the reservoir, water surface temperature measured in situ, and wind speed at a height of 10 m taken from the bank of the reservoir facing the prevailing winds. The application of the model on Lake Leman, located in a more temperate region, also gives good results.

Les affleurements de Bevons, Nyons et Rosans dans le Sud-Est de la France, comme ceux du Numidien (Sicile, Tunisie, Maroc...) ou de la Tourelle (Canada) permettent l'observation de nombreuses injectites sableuses alimentées par des chenaux turbiditiques. Deux types d'injectites sont présents : les sills (horizontaux) et les dykes (verticaux), les dykes étant issus des sills. Leurs processus de mise en place sont, selon les auteurs, per ascensum, post-dépositionnels, et (sans doute le plus souvent) per descensum, contemporains de la mise en place du sable nourricier et objet de la présente étude. L'approche des mécanismes intervenant dans cette fracturation et la modélisation de celle-ci ont notamment pour but de préciser l'évolution de l'étanchéité des matériaux argileux pouvant constituer un site de stockage de déchets. D'un autre point de vue, des injections sableuses étant localisées entre des réservoirs contenant des hydrocarbures, une détermination de leur géométrie est nécessaire pour prédire les circulations potentielles de fluides durant la production. Un modèle géométrique a été établi à partir de ces observations et a permis de faire certaines hypothèses sur les mécanismes à prendre en compte dans les modélisations de cette fracturation et/ou injection. Plusieurs approches sont menées en parallèle : - L'étude de la compaction dans le massif, avant l'injection : pour des concentrations en sable assez élevées (> 35 %), le poids de la colonne de mélange d'injection est supérieure à la contrainte verticale dans la partie superficielle du massif. Cette inversion de densité peut être responsable du fait que l'injection se propage plutôt vers le bas dans le cas des dykes ou le long de discontinuités stratigraphiques (telles que les niveaux de cendres par exemple). Lorsque l'on descend dans les sédiments, la pression dans la colonne de mélange sableux varie linéairement avec la profondeur alors que la contrainte dans les sédiments varie non linéairement (issue d'une courbe de porosité en exponentielle). A partir d'une certaine profondeur, la pression fluide devient inférieure aux contraintes dans la succession sédimentaire : l'injection ne peut pas dépasser cette profondeur. Ainsi, la propagation des dykes est limitée par le poids de son encaissant. - L'utilisation de la fracturation hydraulique comme mécanisme de l'injection : la mécanique des roches et plus précisément les mécanismes d'hydrofracturation ont été testés pour tenter de modéliser ces observations à grande échelle. La force responsable de l'initiation et de la propagation des fractures est la pression due à la mise en place du chenal turbiditique. Le modèle tient compte du fait que l'injection doit soulever les terrains sus-jacents. Les premiers résultats ont permis de montrer que dès qu'une fracture horizontale est initiée, la propagation est rapide. L'ouverture obtenue (épaisseur d'un sill) est décamétrique, soit du même ordre de grandeur que les observations de terrain. - L'utilisation d'un fluide à seuil dans un réseau établi, avec des probabilités cohérentes avec la réalité des phénomènes entrant en jeu, a permis de déterminer les extensions maximales d'injection en accord avec les observations de terrain : - Un sill seul peut se propager sur 2400 m en quelques dizaines d'heures, - Un dyke seul peut descendre jusqu'à 400 m sous le paléofond de mer en quelques secondes, - Un réseau de sills et de dykes connectés (ce réseau étant connecté au chenal par un sill) peut avoir une extension horizontale de 1200 m et verticalement de 400 m, et se mettre en place en quelques heures. La formation des sills est plus longue que celle des dykes, la formation d'un sill seul dure plusieurs heures alors que celle d'un dyke dure quelques secondes. Lorsque les sills et les dykes sont connectés, le temps de propagation du réseau est d'environ 2 heures. Les dykes se forment toujours en quelques secondes et ont un effet sur la propagation des sills qui se propagent deux fois moins loin que s'ils étaient seuls.

Afin de satisfaire à la croissance des besoins énergétiques mondiaux, le domaine des réservoirs carbonatés très enfouis (Deeply Buried Reservoirs) constitue une cible privilégiée pour l'exploration et l'exploitation pétrolière. La préservation, dans les roches carbonatées, de propriétés pétrophysiques favorables (porosité / perméabilité) à grande profondeur peut alors conduire à l'existence d'un réservoir profondément enfoui (Deeply Buried Reservoir, DBR). Les processus chemo-mécaniques impliqués dans la diagénèse d'enfouissement des réservoirs carbonatés sont cependant encore mal contraints et il y a un manque crucial de données expérimentales sur ce sujet. Afin de mieux comprendre ces processus et de déterminer comment la porosité et la perméabilité peuvent être préservées aux profondeurs des DBR (>4000m), un dispositif expérimental novateur et le protocole associé ont été développés. Ce dispositif expérimental permet à la fois de reproduire les conditions de pression / contraintes / température des DBR (80°C, contrainte de confinement de 60 MPa et contrainte déviatorique jusqu'à 40 MPa) et de faire circuler des fluides de diverse nature dans les échantillons. Des échantillons d'un calcaire bioclastique induré (calcaire de Massangis) ont été testés via une approche multidisciplinaire : déformations mécaniques de fluage, suivi de l'évolution de la chimie du fluide de circulation et analyses pétrographiques et pétrophysiques des roches. Il a ainsi été démontré qu'il existe une relation importante entre la contrainte mécanique à laquelle est soumise la roche, les interactions thermodynamiques fluide-roche et l'évolution des propriétés pétrophysiques. Le processus principal responsable des déformations de fluage des roches carbonatées lors de l'enfouissement a été déterminé comme étant la pression-dissolution sous contraintes, processus chemo-mécanique impliqué dans la perte de porosité lors de la diagénèse de profondeur. Les expériences menées l'ont été avec différentes conditions de circulation de fluide (saturation et circuit ouvert) et différentes compositions chimiques du fluide ont été testées (eau météorique, eau météorique additionnée de phosphates et saumure). De même, les effets des hydrocarbures et de leur timing de mise en place ont été étudiés. Les résultats obtenus ont permis d'affirmer que, en présence de fluide météorique, la PSC se produit à l'échelle micritique, et résulte en la précipitation de calcite sur les faces libres de la calcite, provoquant le blocage de la microporosité. La préservation des macropores permet de conserver la perméabilité. L'addition de phosphates dans le fluide de circulation résulte en l'inhibition de la PSC tandis que l'augmentation de la salinité par l'ajout de NaCl accélère ce mécanisme. L'injection précoce d'huile dans les échantillons, précédant la circulation de fluide aqueux provoque l'inhibition de la PSC par un coating des grains, résultant en la préservation de la porosité. Les résultats de cette étude montrent l'importance de la chimie du fluide de circulation et du timing de mise en place des hydrocarbures dans la préservation de la porosité précoce à grande profondeur / The preservation of good petrophysical properties (high porosity / high permeability) at great depth in carbonate rocks may lead to the existence of a deeply buried reservoir (DBR), a target of interest for the oil industry. However, chemo-mechanical processes involved in the burial diagenesis of carbonate petroleum reservoirs are still poorly understood or restrained and few experimental results exists in this domain. To better understand these processes and explain how porosity and permeability can be preserved at the great depth of DBR (burial > 4000m), we developed an innovative experimental device and an associated protocol. This device allows both the simulation of high pressure/stresses/temperature conditions (80°C, 60 MPa of confining pressure and differential stress up to 40 MPa) of DBR and the circulation of different fluids in rock samples. Through a multidisciplinary approach we tested core samples of a cemented bioclastic limestone (Massangis limestone) and we analyzed creep deformations, chemistry of pore fluids, petrographical and petrophysical properties of samples. It has been demonstrated that there exists an important relationship between the mechanical stress affecting the rock, the thermodynamic of water/rock interactions and the evolution of the petrophysical properties. The main process responsible for creep deformation of carbonated rocks during burial has been determined to be Intergranular Pressure Solution (IPS) resulting in Pressure Solution Creep (PSC) which is the main process implied in the porosity reduction of a carbonate rock during deep burial. Different flow conditions (no-flow and flow-through) and chemical compositions (natural meteoric water, adjunction of phosphate ions, brine) were considered. The effects of hydrocarbon and of their timing of set-up have also been investigated. It has been discovered from our study that, in presence of meteoric fluid, PSC happens at the micritic scale, and results in the blocking of microporosity between micrites crystals due to the precipitation of calcite on free pore walls of micrites. The preservation of macropores allows the preservation of permeability. The adjunction of phosphate ions in the circulating fluid results in the inhibition of PSC while the increase of salinity by addition of NaCl leads to its acceleration. An early injection of oil prior to water circulation causes the inhibition of PSC by the coating of the grains, leading to the preservation of porosity. The dataset obtained from this study show the importance of fluid chemistry and of the timing of oil charging in a reservoir in the preservation of early porosity at great depth

La surface terrestre est affectée par de nombreux processus locaux tels que des événements volcaniques, des glissements de terrain ou des tremblements de terre. Parallèlement à ces processus naturels, les activités anthropiques, y compris l’extraction et le stockage des ressources profondes (par exemple, les minéraux ou les hydrocarbures) façonnent la Terre à différentes échelles spatiales et temporelles. Ces mécanismes produisent une déformation du sol qui peut être détectée par divers instruments et techniques géodésiques tel que le GNSS, l’InSAR, les inclinomètres. Le but de cette thèse est de développer un outil numérique permettant l’inversion conjointe de multiples données géodésiques associées à la déformation de la plaque ou au changement de contrainte volumique en profondeur. Quatre types d’applications sont ciblés: la déformation intersismiques des plaques, la déformation des volcans, l’exploitation minière profonde et l’extraction de pétrole et de gaz. Différentes complexités du modèle inverse ont été considérées: le niveau I considère un seul type de données géodésiques avec un processus indépendant du temps. Une application est réalisée avec l’inversion des données GPS à travers le sud de la Californie pour déterminer les variations latérales de la rigidité lithosphérique (Furst et al., 2017). Le niveau II représente également un seul type de données géodésiques mais avec un processus dépendant du temps. La détermination conjointe de l’historique des changements de contrainte et des paramètres de dérive d’un réseau d’inclinomètres est étudiée à l’aide d’un exemple synthétique (Furst et al., soumis). Le niveau III considère différents types de données géodésiques et un processus dépendant du temps. Un réseau fictif combinant des données GNSS, InSAR, inclinométriques et de nivellement est défini pour calculer le changement de volume dépendant du temps d’une source profonde de déformation. Une méthodologie pour implémenter ces différents niveaux de complexité est développée dans un seul logiciel. Parce que le problème inverse peut être mal posé, la minimisation de la fonctionnelle peut produire plusieurs minima. Par conséquent, un algorithme d’optimisation global est utilisé (Mohammadi and Saïac, 2003). Le problème direct est traité en utilisant un ensemble de modèles élastiques numériques et analytiques permettant de modéliser les processus de déformation en profondeur. Grâce à ces développements numériques, des avancées concernant les problèmes inverses en géodésie devraient être possibles telle que l’inversion jointe de différents types de données géodésiques acquises lors de la surveillance des volcans. Dans cette perspective, la possibilité de déterminer par inversion les paramètres de dérive des inclinomètres permettrait une détermination précise des sources de déformation profondes. En outre, la méthodologie développée peut être utilisée pour une surveillance précise de la déformation des réservoirs de pétrole et de gaz. / The Earth’s surface is affected by numerous local processes like volcanic events, landslides or earthquakes. Along with these natural processes, anthropogenic activities including extraction and storage of deep resources (e.g. minerals, hydrocarbons) shape the Earth at different space and time scales. These mechanisms produce ground deformation that can be detected by various geodetic instruments like GNSS, InSAR, tiltmeters, for example. The purpose of the thesis is to develop a numerical tool to provide the joint inversion of multiple geodetic data associated to plate deformation or volume strain change at depth. Four kinds of applications are targeted: interseismic plate deformation, volcano deformation, deep mining, and oil & gas extraction. Different inverse model complexities were considered: the I-level considers a single type of geodetic data with a time independent process. An application is made with inverting GPS data across southern California to determine the lateral variations of lithospheric rigidity (Furst et al., 2017). The II-level also accounts for a single type of geodetic data but with a time-dependent process. The joint determination of strain change history and the drift parameters of a tiltmeter network is studied through a synthetic example (Furst et al., submitted). The III-level considers different types of geodetic data and a timedependent process. A fictitious network made by GNSS, InSAR, tiltmeters and levelling surveys is defined to compute the time dependent volume change of a deep source of strain. We develop a methodology to implement these different levels of complexity in a single software. Because the inverse problem is possibly ill-posed, the functional to minimize may display several minima. Therefore, a global optimization algorithm is used (Mohammadi and Saïac, 2003). The forward part of the problem is treated by using a collection of numerical and analytical elastic models allowing to model the deformation processes at depth. Thanks to these numerical developments, new advances for inverse geodetic problems should be possible like the joint inversion of various types of geodetic data acquired for volcano monitoring. In this perspective, the possibility to determine by inverse problem the tiltmeter drift parameters should allow for a precise determination of deep strain sources. Also, the developed methodology can be used for an accurate monitoring of oil & gas reservoir deformation.

Les réservoirs en matériaux composites représentent un moyen pourle stockage de l’hydrogène à des pressions de service très élevées. En dépit desnombreux avantages que présentent les réservoirs en composites, le stockage soushaute pression conduit à utiliser de fortes épaisseurs de composites, et lecomportement de ce type de structure reste mal maitrisé. Le procédé d’enroulementfilamentaire induit des variabilités et défauts qui impactent le comportement de lastructure et en particulier le comportement des fonds. De ce fait, il est nécessaired'apprécier ces variabilités dans la modélisation du comportement des réservoirscomposites épais.Ce travail de thèse présente une approche permettant de modéliser le comportementmécanique des réservoirs en prenant en compte les spécificités dues au procédé deréalisation. A ce titre, nos recherches concernent aussi bien l'analyse de structuresque l'aspect simulation numérique. / Les réservoirs en matériaux composites représentent un moyen pourle stockage de l’hydrogène à des pressions de service très élevées. En dépit desnombreux avantages que présentent les réservoirs en composites, le stockage soushaute pression conduit à utiliser de fortes épaisseurs de composites, et lecomportement de ce type de structure reste mal maitrisé. Le procédé d’enroulementfilamentaire induit des variabilités et défauts qui impactent le comportement de lastructure et en particulier le comportement des fonds. De ce fait, il est nécessaired'apprécier ces variabilités dans la modélisation du comportement des réservoirscomposites épais.Ce travail de thèse présente une approche permettant de modéliser le comportementmécanique des réservoirs en prenant en compte les spécificités dues au procédé deréalisation. A ce titre, nos recherches concernent aussi bien l'analyse de structuresque l'aspect simulation numérique.

Les bandes de déformation sont des structures géologiques se mettant en place dans les matériels granulaires présentant une forte porosité (>15%). Ces structures peuvent être compactantes ou dilatantes et peuvent présenter une composante cisaillante. À l’échelle microscopique, il est possible d’observer une réorientation des grains, une compaction ou un cisaillement intense peut entrainer la fracturation de ces derniers (cataclase) pour former une fine zone déformée modifiant ainsi la porosité et la perméabilité de la roche. Ces bandes ont un impact sur la circulation des fluides en formant des barrières ou des drains dans le réservoir. La formation de ces structures est étroitement liée à la tectonique et aux paramètres sédimentologiques du matériel hôte. Comprendre et pouvoir prédire le mode de mise en place, les orientations et la distribution de ces bandes est l’objectif principal de cette thèse.Dans cette étude nous avons analysé un site de bandes de déformation observé dans le bassin de Tremp, au sein de la formation d’Aren, dans la zone Central Sud-Pyrénéenne. Nous avons pu définir la nature de ces structures grâce à des analyses macro- et micro-structurales couplées à une étude d’anisotropie magnétique permettant de déduire la direction de raccourcissement à l’origine de la mise en place de ces bandes. Deux principaux types de bandes cataclastiques sont alors mis en évidence: (1) des bandes de compaction pures, perpendiculaires au raccourcissement et (2) des bandes de compaction à composante cisaillante, obliques à cette même direction de raccourcissement.En comparaison avec le calendrier tectonique de la région et des données d’enfouissement relatif dans le temps de la formation étudiée. Nous avons fait l’hypothèse que ces deux familles de bandes sont apparues à faible enfouissement (< 1 km de profondeur), soit peu de temps après le dépôt et associées à la croissance du pli du Sant Corneli-Boixols. De telles structures ne sont pas communes pour un enfouissement superficiel et le faciès calcarénitique est mis en cause pour expliquer leurs apparitions.La mise en place de simulations analytiques basées sur des résultats d’expérimentations géomécaniques ont ensuite permis de contraindre le régime tectonique, l’orientation et les valeurs de ces contraintes nécessaires à la formation de ces deux types de bandes par rapport à l’enfouissement et la croissance du chevauchement. Les valeurs de contraintes attendues sont ici très faibles dans le cas d’une déformation très précoce.Enfin, nous avons testé ces observations et nos hypothèses à des modélisations numériques dans lesquelles nous avons analysé l’impact de la croissance d’un chevauchement et d’un pli de propagation de rampe. La distribution des contraintes et les potentielles bandes de déformation mises en place au sein d’un réservoir poreux situé en avant de ce pli ont été étudiées. Nous avons alors montré que nos hypothèses d’apparition superficielles de bandes de déformation étaient dépendantes de la position des enveloppes de ruptures (elles-mêmes dépendantes de la lithologie de la roche). Pour expliquer la mise en place des bandes étudiée dans ce mémoire, une résistance mécanique très faible de la roche est nécessaire pour permettre de former des bandes à moins d’un kilomètre de profondeur. / Deformation bands are geological structures that occur in porous and granular material presenting a high porosity (>15%). These structures can be identified as compactive or dilatant, a shear component is also often observed. At the microscopic scale, it is possible to observe a grain rearrangement and an intense compaction and or shearing can lead to grain crushing (known as cataclasis), to form a thin deform zone that will modify the porosity and permeability of the rock. Deformation bands have a non-negligible impact on fluid flow, creating a barrier or a drain in the potential reservoir. The formation of such structures is mainly linked to the tectonic activity but also to the facies and other sedimentological parameters of the host rock. The understanding and the prediction of the occurrence and distribution of the bands is the main objective of this thesis.In this study we analyzed a deformation band site found in the Tremp basin, in the Aren formation localized in the South Central Pyrenean Zone. We defined the nature of these structures with macro and microstructural analysis and by adding a study of the magnetic anisotropy to constrain the shortening direction responsible to the band formation. We evidence two major types of bands showing different orientations and behavior: (1) Pure compaction bands (PCB), perpendicular to the shortening and (2) Shear enhanced compaction bands (SECB), oblique to the same shortening.In comparison with tectonic schedule in the studied area and time vs. burial data of the formation, we deducted that both types of bands took place at a shallow burial (<1km depth), which means short times after deposition. This localized deformation, showing mainly cataclasis, is associated to the growth of the Sant Corneli-Boixols fold and thrust belt. Such structures are not common at a shallow depth and we propose that the calcarenite facies of the host rock is the key factor to explain the band occurrence.Thereafter, we made analytical simulations based on geomechanical experimentations results that allowed us to constrain the stress state and orientations needed to create these structure and to determine the timing of formation compared to the burial of the layers during the growth of the Boixols thrust. The stresses magnitudes are expected to be really low in the case of an early deformation.Finally, we tested and compared our observations and hypothesis to numerical modeling where we analyzed the impact of the growth of a fold and thrust belt on the stress state and orientations and the analysis of potential deformation bands occurrence. The stress distribution and the potential occurrence of deformation bands in a porous reservoir presenting different characteristics and located in front of this fold were studied.With the modelizations results, we exposed that our hypothesis of shallow deformation bands are dependent from the position of failure envelopes (that are dependent on the rock lithology). To explain the band formation we studied in this thesis, a weak mechanical strength of the host rock is needed to form deformation bands at less than a depth of one kilometer. The pure compaction bands are associated to a potentially early layer-parallel shortening (LPS).

Le stockage géologique du CO2 est un des enjeux scientifiques majeurs envisagés pour contrôler le réchauffement climatique lié aux gaz à effet de serre. Le stockage en domaine sédimentaire nécessite une connaissance des facteurs stabilisant/destabilisant les réservoirs, qui peut être apportée par l'étude d'analogues naturels. L'utilisation de méthodes pétrographiques, microthermométriques et géochimiques appliquées aux carottes du forage V.Mo.2 traversant le réservoir naturel de CO2 de Montmiral (France), permettent de suivre les migrations de CO2. Dans le socle Paléozoïque, les inclusions fluides carboniques témoignent de la démixtion sous forte couverture d'un fluide aquo-carbonique chaud, probablement à la fin du Crétacé ou au Paléogène, qui marquerait le remplissage du réservoir de Montmiral. L'étude des unités sédimentaires sus-jacentes montre que le CO2 est resté confiné dans les niveaux rhéto-sinémuriens sous les marnes du Domérien à l'Oxfordien Moyen. Ces marnes jouent le rôle de barrière étanche aux fluides au cours des principaux stades de circulations reconnus. Un premier stade lié à l'extension téthysienne affecte les séries sous-jacentes aux marnes. Un deuxième stade, rattaché à la compression pyrénéenne grâce à une étude de terrain, induit une karstification des séries sus-jacentes à l'écran marneux. A la base du forage, c'est à cette période que le réservoir fuit, mais cette fuite reste confinée sous l'écran marneux. La stabilité du réservoir de Montmiral est due à la présence de l'épais niveau marneux et à la structuration en blocs du bassin de Valence et de son socle limités par des failles jouant le rôle de barrière latérale.