A travers deux champs d'étude, nous nous intéressons au couplage mécanique entre le magma et l'encaissant, utilisant des méthodes numériques. Tout d'abord, nous étudions l'influence de perturbations de contraintes sur les réservoirs magmatiques, avec comme exemple deux volcans sous-glaciaires (Islande). Au volcan Grímsvötn, notre modèle montre que les vidanges, du lac sous-glaciaire (jökulhlaup) présent dans la caldera, peuvent déclencher une éruption comme ce fut le cas en 2004, en favorisant la rupture du réservoir magmatique. L'effet est cependant faible, ce qui implique que le système magmatique doit déjà être proche des conditions de rupture avant que le jökulhlaup se produise. Au volcan Katla, notre modèle indique que les conditions de rupture sont favorisées en été durant la fonte du glacier Mýrdalsjökull. Les changements de contrainte de Coulomb montrent aussi une plus forte probabilité de séismes durant la même période, résultats en accord avec la sismicité enregistrée sous le Mýrdalsjökull. Il existe une modulation à la fois de l'activité volcanique et sismique au Katla, en relation avec la variation saisonnière de la charge glaciaire. Dans un second temps, nous travaillons sur les écoulements de magma dans les conduits andésitiques. Améliorer nos connaissances sur la dynamique du magma durant son ascension est nécessaire, car les processus dans le conduit volcanique semblent gouverner l'évolution de l'activité éruptive de ces volcans. Des précédents modèles ont montré que la viscosité du magma augmente dans la partie supérieure du conduit lors de l'écoulement, ce qui cause la formation d'un plug visqueux. Mais la relation entre la mise en place du plug et les signaux précurseurs, telles que la déformation ou la sismicité, n'est pas totalement établie. A partir de nos modèles de plug, nous trouvons que les déplacements de surface sont contrôlés par la géométrie du conduit et du plug ainsi que le contraste de viscosité entre le plug et la colonne de magma. Nous montrons que l'évolution de la taille du plug est une hypothèse possible pour expliquer les rapides transitions inflation/subsidence observées à la surface des volcans andésitiques. / Through two different applications, we focus on the mechanical coupling between magma and host rocks, using numerical method. First, we study the influence of stress perturbations on shallow magma chambers, with the exemple of two subglacial volcanoes (Iceland). A variation in the stress field acts to modify the magma pressure within the reservoir as well as the failure conditions to initiate an intrusion at the reservoir wall. At Grímsvötn volcano, subglacial lake discharges (so-called "jökulhlaup") often occur in relation to eruptions. Our models show that jökulhlaup promote the failure of the magma reservoir and thus trigger eruptions, as observed for 2004 eruption. The triggering effect is small, so magmatic system must be already pressurized and close to failure before the discharge of the lake occurs. At Katla volcano, our models indicate that reservoir failure is highest in summer period when the ice load at Mýrdalsjökull icecap is reduced. Coulomb stress calculation predicts also an increase of earthquake occurrence at the caldera rim at the same time. A seasonal modulation of volcanic and seismic activity at Katla related to the loading/unloading of the icecap can exist. Secondly, we focus on magma conduit flow for andesitic volcanoes. Improving our knowledge of magma dynamic during ascent is a challenge, because processes occurring in the conduit seem to govern the temporal evolution of eruptive activity. Previous models showed that magma viscosity increases during flow in the upper part of the conduit, which causes the emplacement of a viscous plug. But the relationship between the plug emplacement and precursors signals, such as ground deformation or seismicity, is not yet fully described. From our plug flow model, we find that surface deformation is mainly controlled by the geometry of the conduit, the ratio between the plug length and the total conduit length and the viscosity contrast between the plug and the magma column. We show that the evolution of the plug size is a possible explanation for rapid transition between ground inflation and ground subsidence observed on andesitic volcanoes before extrusion.

Les forêts néotropicales accueillent une importante biodiversité encore méconnue. L’intégrité des écosystèmes naturels est menacée par les changements environnementaux (e.g., réchauffement climatique, destruction des habitats), par conséquent, identifier les facteurs structurants, naturels et anthropiques, du fonctionnement des écosystèmes, représente un défi scientifique crucial. L’inhérente complexité de ces milieux diversifiés pose de nombreux problèmes conceptuels et logistiques comme un échantillonnage exhaustif et/ou l’identification des espèces. Les broméliacées à réservoirs sont des écosystèmes miniatures adéquats pour pallier ces difficultés, car elles retiennent de l’eau de pluie et accumulent de la matière organique au creux de leurs feuilles, permettant ainsi de supporter des réseaux trophiques simples d’invertébrés aquatiques. Elles peuvent être échantillonnées exhaustivement, ont une forte abondance locale, et une large aire de répartition. De l’échelle locale à biogéographique, les travaux de cette thèse visent d’abord à comprendre comment ces communautés se structurent en réponse à l’hétérogénéité naturelle des forêts amazoniennes (e.g., ouverture de la canopée, fluctuations climatiques saisonnières), puis tente de prédire, par le biais d’expérimentations in situ et au laboratoire les réponses structurelles et fonctionnelles de ces communautés à divers scénarios de changement climatique. Une attention particulière a été portée sur l’impact de la température et des précipitations sur la physiologie et le comportement d’espèces clefs, et sur les interactions trophiques au sein des communautés. / Neotropical forests shelter an astonishing and underrated biodiversity. The integrity and stability of these natural ecosystems are threatened by human-induced environmental changes. Therefore, highlighting the determinants of ecosystem functioning, be they natural or anthropogenic, is a daunting but paramount scientific challenge. The intrinsic complexity of highly diversified ecosystems arouses both conceptual and logistical difficulties, which we handle, by manipulating tiny ecosystems, the tank bromeliads. The leaves of tank bromeliads form wells that hold rainwater and intercept leaf litter, allowing for a simple invertebrate aquatic community to thrive. These plants can be exhaustively sampled, are naturally replicated, and widely distributed.From local to biogeographic scales, this thesis aims at understanding how these communities respond to the natural heterogeneity of Amazonian forests, and at predicting the impacts of human-induced disturbances on the structure and functioning of these communities, using in situ and lab experiments. Particular focus is attributed to the influence of some aspects of climate changes (e.g., warming, and various precipitations scenarios) on individual physiology, behavior, and trophic interactions.

L’émergence de bruits auparavant inaudibles dans les réservoirs à carburants automobiles requiert des constructeurs une meilleure compréhension des phénomènes physiques intervenants au sein de leurs produits. Dans cette thèse, différents travaux ont été conduits autour de l’étude du ballottement de fluide dans une cuve rigide rectangulaire partiellement remplie de fluide et soumise à une excitation extérieure. La première partie présente un état de l’art sur le sloshing suivant trois approches complémentaires - approche analytique, approche numérique et approche expérimentale - permettant d’orienter les travaux. Dans une deuxième partie, une étude préliminaire sur le sloshing dans une cuve rectangulaire soumise à une excitation harmonique forcée est réalisée. La confrontation des résultats numériques entre une approche linéaire - basée sur la théorie d’écoulement potentiel tenant compte de la viscosité du fluide [Schotté et Ohayon, 2013] - et une approche non linéaire commerciale – basée sur la résolution des équations de Navier-Stokes - permet de définir un paramètre de linéarité. Ce dernier permet de déterminer les cas de sloshing qui nécessitent une résolution non linéaire et ceux pour lesquels la théorie linéaire suffit pour prédire le phénomène. La troisième partie de ce document présente une étude expérimentale du ballottement de fluide dans une cuve rectangulaire rigide soumise à un freinage automobile. Deux niveaux de remplissage créant deux types d’impacts contre les parois (avec et sans enfermement de poche d’air) ont été analysés. Les essais menés ont permis de mesurer les forces engendrées par le mouvement du fluide, les pressions d’impact en paroi ainsi que le champ de vitesse par méthode Particle Image Velocimetry (PIV). Ce chapitre constitue une importante base de données expérimentales ayant permis d’étudier précisément le phénomène physique. L’étude est complétée par une confrontation des résultats expérimentaux avec des résultats Computational Fluid Dynamics (CFD). Enfin, pour conclure ce mémoire, une étude du sloshing dans un réservoir en tenant compte de la Fluid-Structure Interaction (FSI) est présentée. Le choix du couplage a été porté sur un schéma partitionné itératif faible avec, dans un premier temps, une approche potentielle instationnaire, puis avec une approche Volume Of Fluid (VOF) pour la physique fluide. Les limites d’un tel couplage dans le cas d’étude d’un réservoir partiellement rempli de fluide et attaché de manière flexible en fonction du rapport de masse fluide-réservoir ont été mises en évidence. La correction du schéma de couplage par l’effet de masse ajoutée présentée dans [Song et al., 2013] permet la résolution d’un système couplé quel que soit le rapport de masse en jeu et améliore de manière significative la convergence en réduisant également fortement le temps de calcul. / The present thesis focuses on an investigation of the sloshing phenomenon in a partially filled fuel tank submitted to a harmonic excitation motion. In the first part, the confrontation of numerical results between a linear approach - taking into account viscosity - and a nonlinear approach based on a commercial code leads to define a parameter of linearity. This parameter allows determining cases of sloshing who require non-linear resolution and those who need a linear theory to predict the phenomenon. An experimental study of fluid sloshing in a rectangular tank submitted to an automotive braking is conducted. Tests leaded allow measuring global forces engendered by the motion of the fluid, pressure of fluid impact and velocity field by PIV. This chapter provides an important data base and helps to investigate on the physical phenomenon. This study is completed by CFD results. To conclude, a numerical model for fluid-structure interactions is presented. Limits of this segregated partitioned coupling in case of sloshing in tank flexibly attached are highlighted, depending mostly on the mass ratio between fluid and tank structure. An added-mass term is integrated to the corrected staggered scheme ensuring systematically the convergence of the coupled solution and reducing significantly the iterations required.

Le cadre général de la thèse concerne la valorisation sous forme de production d'énergie électrique de la chaleur présente à quelques kilomètres de profondeur (3 à 5 km), en général dans des milieux peu perméables et fracturés. Notre objectif principal est d'étudier le phénomène des microséismes induits relativement au refroidissement, en nous basant sur une expérience de terrain de longue durée, menée sur le site de Rosemanowes (Cornwall, UK). Pour cela nous avons procédé à la mise en place d'un outil de calcul, FRACAS, capable de simuler ce phénomène en introduisant une approche à double milieu thermique pour mieux simuler le refroidissement du réservoir dû à l'injection de fluide à long terme, responsable des nouveaux mécanismes de ruptures dus à la traction de la roche. Dans ce contexte nous avons introduit un nouvel algorithme pour prendre en compte les manifestations d'instabilités, un mécanisme de « stick-slip » avec prise en compte d'une friction statique et d'une friction dynamique. La possibilité d'induire des microséismes est ensuite étudiée à partir des données issues d'un site particulier, avec deux modèles 3D proposant des approches géométriques différentes, un modèle déterministe et un modèle stochastique, dont les propriétés géométriques et physiques ont été tirées des observations et travaux antérieurs effectués sur ce site de Rosemanowes. La simulation thermo-hydro-mécanique (THM) du modèle déterministe nous a permis de modéliser les échanges thermiques en régime transitoire dans le réservoir formé par le système de forages RH12/RH15 et d'estimer un ordre de grandeur des tractions d'origine thermique. Pour mieux étudier l'effet induit par la contraction des blocs de roche dans le temps nous utilisons le modèle 3D stochastique dont l'objectif principal est de simuler de façon plus réaliste la progression dans l'espace les ruptures en cisaillement. Avec ce modèle nous avons constaté l'apparition différée d'une activité et l'effet d'un cycle de pulses de pression, ce qui suggère un moyen d'atténuer les fortes magnitudes potentielles des ruptures en cisaillement dues au refroidissement. / The general framework of our research deals with the development of geothermal energy for electricity production using the heat stored in geological formations at depths ranging in 3 to 5 km, Generally the environment is poorly permeable and fractured. Our main objective is to study the phenomenon of induced micro-earthquakes in relation to the cooling of the rock. The work is based on field experiences including long duration tests, conducted on the Rosemanowes site (Cornwall, UK). For this, we proceeded to the development of a calculation tool, FRACAS, able to simulate this phenomenon by introducing a dual thermal approach to better simulate the cooling of the reservoir due to long term fluid injections, which might be responsible for new failure mechanisms due to the induced tractions. In this context, we introduced a new algorithm to describe shear in stabilities, a mechanism of "stick-slip" type with the consideration of static/dynamic friction coefficients. The possibility of inducing micro-seismicity is then studied using the in situ data base, with two 3D models offering different geometric approaches, a deterministic model and a stochastic model whose geometrical and physical properties were obtained from observations and previous work on this Rosemanowes site. The Thermo-Hydro-Mechanical (THM) simulation using the deterministic model has allowed us to calibrate the transient heat transfer in the reservoir formed by the drilling system RH12/RH15 and to give an estimate of tensile stress of thermal origin. To better study the effect induced by the contraction of the rock during time, we use the stochastic 3D model whose main objective is to simulate a more realistic spatial migration of shear ruptures. With this model we found a delayed onset of shear activity and discuss the effect of pressure step tests. The results suggest a way to mitigate the potential impact of shear ruptures due to cooling.

Les structures de déformation pré-lithification s’enregistrent dans les sédiments meubles. Ces structures sont abondantes dans les domaines sous-glaciaires et marins profonds en raison du développement de surpressions de fluide. A partir de cas d’études choisis dans ces deux environnements, leurs implications sur les (1)reconstructions paléoenvironnementales, leurs impacts sur la (2) morphologie glaciaire, et sur les (3) propriétés pétrophysiques ont pu être définis.(1) L’analyse de ces structures de déformation a permis de mieux contraindre les paléoenvironnements sédimentaires. Ces structures de déformation ont été utilisées comme des «proxy » permettant d’estimer les variations de la vitesse d’écoulement, de l’épaisseur de glace, de la production d’eaux de fonte et de la position de la marge glaciaire.(2) Les séries sédimentaires des vallées tunnels ordoviciennes enregistrent la mise en place de nombreuses structures de déformation liées aux surpressions de fluides. L’analyse de ces structures a permis de proposer un nouveau modèle de creusement des vallées tunnels induits par des pressions de fluides élevées. Ce modèle de creusement, lié aux surpressions de fluide, est favorisé dans les zones d’inter ice-stream. A l’inverse, sous les ice-stream, l’écoulement des eaux de fonte se produit à l’interface glace-substrat et favorise d’autres modèles de formation des vallées tunnels.(3) Les processus de remobilisation sédimentaire ont un impact sur les propriétés pétrophysiques des réservoirs sableux. Les études pétrophysiques menées sur des grès déposés en environnements marins profonds et glaciaires ont permis de mettre en évidence l’impact des surpressions de fluides sur les propriétés réservoirs des sables. Les processus de fluidisation sont capable de créer de bons réservoirs, tandisque les processus d’élutriations ont tendance a réduire la porosité/perméabilité. / Soft-sediment deformation structures (SSDs) occur in unconsolidated sediments, during or shortly after deposition. SSDs are abundant in subglacial and deep-marine environments because of the development of fluid overpressure. Case studies of these two sedimentary environments were used (1) to reconstruct palaeoenvironments from SSDS, and (2) to define the impacts of SSDS on glacial morphologies and (3) petrophysical properties.(1) Analyses of strain regimes, deformation mechanisms, and chronologies in SSDs served to improve palaeoenvironmental reconstructions. These structures were used as proxys to estimate variations of ice flow velocities, ice thickness, meltwater production, and position of the ice margin.(2) The sedimentary series of ordovician tunnel valleys record numerous SSDs induced by fluid overpressure. A new model of tunnel valley formation controlled by the increase of porewater pressure in the bed is proposed. This model of formation occurs in inter-ice stream zones, where meltwater is transferred to the substratum. In ice-stream corridors, meltwater circulates at the ice-bed interface and promotes the formation of tunnel valleys controlled by meltwater processes.(3) Remobilisation processes triggered by the increase of fluid pressure have an impact on the granular framework and on the geometry of reservoirs. Petrophysical studies of subglacial and deep-marine sandstones demonstrated the impact of fluid overpressure on reservoir properties. Processes of fluidisation are responsible for the increase in porosity/permeability, while elutriation processes lead to a decrease in these petrophysical properties.

La végétation riveraine et littorale de l’est du Canada a été sévèrement altérée par la drave et plusieurs barrages lacustres subsistent, mais leurs effets et ceux de leur retrait sont peu documentés. Cette étude visait à: i) mesurer les changements de la structure et de la composition végétale des zones riveraines et littorales en fonction de l’élévation par rapport au plan d’eau, ii) évaluer le temps de retour de la végétation à son état de référence naturel suite au retrait de barrages et iii) déterminer les facteurs régissant les réponses de la végétation à ces variations de niveaux d’eau. La structure et la composition végétale suite à la restauration d’un barrage a été comparée sur deux lacs : un témoin et un comprenant quatre bassins présentant un gradient d’influence du barrage. Suite au retrait de barrage, la végétation a été examinée sur quatre lacs, dont un témoin. Les principaux facteurs qui influençaient la végétation riveraine et littorale en présence d’un barrage étaient l’élévation actuelle par rapport au lac et l’ampleur de l’influence du barrage. Suite à un démantèlement de barrage, les principaux facteurs d’influence étaient l’élévation par rapport au rivage et le nombre d’années depuis le retrait de barrage. En présence d’un barrage, la végétation riveraine était caractérisée par la transformation de hautes terres en forêt humide riveraine qui partageait des caractéristiques avec le témoin. À partir de 1 m d’élévation, la végétation était caractérisée par une forêt sèche. Dans les premières années suivant le retrait de barrage, la végétation littorale était composée d’herbiers submergés mixtes à faible densité avec une forte diversité spécifique près du rivage. La structure et la composition végétale étaient similaires au témoin après 16 ans. Il n’y avait pas d’évidence que les communautés végétales déviaient de leur trajectoire successionnelle naturelle sous l’influence des nouvelles conditions environnementales. / Riparian and littoral vegetation of eastern Canada lakes has been severely affected by log drive and today, several dams still remain. However, their present effects on the vegetation and those that could be caused by their removal are poorly documented. This study aimed to: i) measure changes in the structure and composition of the riparian and littoral vegetation related to the elevation to the water level, ii) evaluate the time needed for the vegetation to return to a natural reference state following the removal of dams and iii) determine the factors governing vegetation responses to changes in water levels. The vegetation structure and composition following the restoration of a dam was compared on two lakes, an unregulated control lake and a dammed lake composed of four gradually affected basins. Following a dam removal, the vegetation was examined on four lakes, including a control. The major factors that influenced riparian and littoral vegetation in the presence of a dam were the current elevation to the water level of the lake and the extent of the dam influence. Following dam removal, the main influencing factors were the elevation from shore and the number of years since the dam removal. In the presence of a dam, riparian vegetation was characterized by the transformation of the upland riparian rainforest in a humid forest which shared characteristics with the control. From 1 m of elevation, vegetation was characterized by a dry forest. In the first years following dam removal, littoral vegetation was composed of mixed submerged vegetation with low density and high species diversity near the shore. The vegetation structure and composition were similar to the control after 16 years. There was no evidence that the plant communities diverged from their natural successional trajectory under the influence of new environmental conditions.

Les réservoirs constituent des ouvrages de retenue d'eau qui permettent de supporter une vaste gamme d'activités humaines telles que la production d'électricité et d'eau potable, l'irrigation, la navigation, etc. L'Est de la région boréale canadienne compte une part importante de réservoirs hydroélectriques. Le contexte actuel des changements climatiques affecte fortement ces écosystèmes et modifie ainsi l'hydrologie et la climatologie régionale via les échanges d'eau, d'énergie et de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, vapeur d'eau) avec l'atmosphère. Parmi ces échanges, l'évaporation, une composante essentielle des modèles climatique et hydrologique, demeure encore difficile à estimer à ce jour. Le bilan hydrique d'un réservoir reflète l'équilibre entre les flux massiques entrant et sortant, et permet d'anticiper l'évolution des volumes d'eau disponibles pour supporter les différents usages anthropiques. Il se compose des flux entrant et sortant, de la précipitation, de l'évaporation, qui mis ensemble peuvent faire varier le volume d'eau stocké. Via l'évaporation, le bilan d'énergie d'un réservoir est couplé au bilan hydrique, ce qui en motive son étude. Le bilan d'énergie d'un réservoir compare les flux de chaleurs advectifs, turbulents (sensible et latent) et de rayonnement net. Même si beaucoup d'études ont analysé et quantifié le bilan énergétique des plans d'eau, des lacunes demeurent. En effet, peu d'entre elles ont été effectuées sur des réservoirs hydroélectriques, de surcroît en zone boréale. De plus, lorsque disponibles, les observations ont généralement des portées spatiale et temporelle limitées. L'objectif principal de cette thèse est de pallier ces insuffisances en réalisant une analyse des échanges eau-atmosphère d'un réservoir hydroélectrique profond à plusieurs échelles spatiales (locale ~ ha; régionale ~ km²) et temporelles (journalière, mensuelle et annuelle), puis en quantifiant les bilans de masse et d'énergie en incluant les échanges advectifs liés au turbinage du réservoir. Notre démarche expérimentale s'appuie sur une campagne de mesures réalisée sur le réservoir Romaine-2 (50.68°N, 63.25°O), exploité par Hydro-Québec depuis 2015, situé à 243 m d'altitude au Québec, Canada. Le réservoir présente des profondeurs moyenne de 44 m et maximale de 101 m, une superficie maximale de 85.6 km² avec un marnage annuel maximal de 17 m. Deux tours à flux mesurant le bilan d'énergie thermique ont été déployées de juin 2018 à juin 2022, l'une sur la berge et la seconde sur un quai flottant ancré au fond du réservoir et déployé en période d'eau libre chaque année. L'objectif principal de la thèse est décliné en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif consiste à évaluer l'applicabilité sur un plan d'eau d'une méthode récente de mesure des flux turbulents à l'échelle régionale (~ km²), soit la scintillométrie à deux longueurs d'onde. Les résultats sont comparés avec ceux de la méthode de référence à l'échelle locale (~ ha), la covariance des tourbillons, réalisée à partir d'un quai flottant. La méthode de scintillométrie repose sur deux couples d'émetteurs/récepteurs installés de part et d'autre du réservoir Romaine-2 et émettant deux faisceaux situés pour l'un dans l'infrarouge et pour l'autre dans le domaine des micro-ondes, sur une distance de 1745 m et à une hauteur approximative de 10 m au-dessus de la surface du plan d'eau. Les résultats révèlent une concordance acceptable des flux de chaleur sensible, mais moins probante quant aux flux de chaleur latente qui sont surestimés par rapport à la méthode locale de covariance des tourbillons. L'empreinte de mesure plus large des scintillomètres peut expliquer ces différences en captant une plus grande hétérogénéité dans les flux. Enfin, la différence de température eau-air se révèle être un bon indicateur du régime de stabilité et par conséquent de la direction (i.e., signe) du flux de chaleur sensible, initialement mal attribué par la scintillométrie. Pour le deuxième objectif, les variabilités journalière, mensuelle et interannuelle de l'évaporation mesurée à l'échelle locale au-dessus du réservoir Romaine-2 sont quantifiées et analysées. Les résultats montrent un déphasage de 12 heures entre les flux de chaleurs sensible et latente pendant la période d'eau libre. Le flux de chaleur sensible répond avant tout à la différence de température eau-air qui est maximale la nuit et minimale l'après-midi, tandis que le flux de chaleur latente est corrélé à l'énergie apportée par le rayonnement solaire qui est maximale l'après-midi et minimale la nuit. Annuellement, l'évaporation atteint 590 mm en moyenne (minimum de 555 mm, et maximum de 656 mm), ce qui représente environ 51 % de la précipitation annuelle. 84% de l'eau est évaporée entre août et décembre, période pendant laquelle le réservoir largue intensément sa chaleur stockée dans une atmosphère plus froide. L'évaporation annuelle cumulée a dû être corrigée à la hausse par application de la fraction d'énergie perdue sur une année énergétique (aucun stockage net). Pour le troisième objectif, l'évolution temporelle du régime thermique du réservoir est caractérisée par des mesures de profil thermique de la colonne d'eau, à l'aide de deux chaînes de thermistors, et ce entre juin 2018 et juin 2022. Les données de turbinage offrent la possibilité de quantifier le bilan hydrique du réservoir ainsi que le bilan d'énergie complet associé. Les résultats montrent que les couches supérieures affichent des décalages d'amplitudes thermique et temporel avec les couches plus profondes. La variabilité interannuelle de la thermocline reste faible, mais sa profondeur et son gradient thermique varient en fonction du niveau d'eau et du turbinage. Le bilan hydrique est dominé en entrée et en sortie par les débits turbinés (61.4% du réservoir amont et 88.0% via la centrale en aval), tandis que le bilan d'énergie est principalement gouverné en entrée par le rayonnement net (62.3%) et en sortie dans les mêmes proportions par les flux de chaleurs sensible et latente (41.2%) et le débit sortant du réservoir (37.4%). Cette thèse offre donc une analyse méthodique et structurée de résultats obtenus sur une longue période de campagne en milieu éloigné, sur la base de méthodes de mesure peu usitées jusqu'alors dans une région climatique parfois hostile d'un réservoir hydroélectrique en milieu boréal côtier, la basse Côte Nord du Québec. / Reservoirs are water retention structures that support a wide range of human activities such as power generation, drinking water, irrigation, navigation, etc. The eastern part of the Canadian boreal region has a significant amount of hydroelectric reservoirs. The current context of climate change strongly affects these ecosystems and thus modifies regional hydrology and climatology through the exchange of water, energy and greenhouse gases (carbon dioxide, methane, water vapour) with the atmosphere. Among these exchanges, evaporation, an essential component of climate and hydrological models, remains difficult to estimate to this day. The water balance of a reservoir represents the balance between incoming and outgoing mass flows, and allows to anticipate the evolution of the volumes of water available to support the different anthropic uses. It is composed of lateral and upstream inflows and outlet flows (i.e. spillway and turbine), precipitation and evaporation, which together can vary the volume of water stored. Through evaporation, the energy balance of a reservoir is coupled to the water balance, which motivates its study. The energy balance of a reservoir compares advective, turbulent (sensible and latent) and net radiation heat fluxes. Although many studies have analysed and quantified the energy balance of water bodies, there are still gaps. Indeed, few of them have been carried out on hydroelectric reservoirs, especially in boreal zones. Moreover, when available, the observations generally have limited spatial and temporal scope. The main objective of this thesis is to overcome these shortcomings by analyzing the water-atmosphere exchanges of a deep hydroelectric reservoir at several spatial (local ~ ha; regional ~ km²) and temporal (daily, monthly and annual) scales, and then quantifying the mass and energy balances by including the advective exchanges related to the reservoir turbining. Our experimental approach is based on a measurement campaign carried out on the Romaine-2 reservoir (50.68°N, 63.25°W), operated by Hydro-Québec since 2015, located at 243 m altitude in Quebec, Canada. The reservoir has an average depth of 44 m and a maximum depth of 101 m, a maximum surface area of 85.6 km² with a maximum tidal range of 17 m. Two flux towers measuring the thermal energy balance were deployed from June 2018 to June 2022, one on the shore and the second on a floating raft anchored to the bottom of the reservoir and deployed during the open water period each year. The main objective of the thesis is broken down divided into three specific objectives. The first objective is to evaluate the applicability on a water body of a recent method for measuring turbulent flows on a regional scale (~ km²), i.e. two-wavelength scintillometry. The scintillometry method is based on two transmitter/receiver installed on either side of the Romaine-2 reservoir and emitting two beams, one in the infrared and the other in the microwave bands, over a distance of 1745 m and at a height of approximately 10 m above the water surface. The results show acceptable agreement for sensible heat fluxes, but less agreement for latent heat fluxes which are overestimated compared to the local eddy covariance method. The larger footprint of the scintillometers may explain these differences by capturing greater heterogeneity in the fluxes. Finally, the water-air temperature difference turns out to be a good indicator of the stability regime and therefore of the direction (i.e., sign) of the sensible heat flux, initially poorly assigned by scintillometry. For the second objective, the daily, monthly and interannual variabilities of evaporation measured at the local scale above the Romaine-2 reservoir are quantified and analysed. Results show a 12-hour phase shift between sensible and latent heat fluxes during the open water period. The sensible heat flux responds primarily to the water–air temperature difference which is maximum at night and minimum in the afternoon, while the latent heat flux is related to the energy provided by solar radiation which is maximum in the afternoon and minimum at night. Annually, evaporation averages 590 mm (minimum and maximum 555 mm and 656 mm respectively), which represents about 51% of the annual precipitation. 84% of the water is evaporated between August and December, when the reservoir intensively releases its stored heat into a colder atmosphere. The annual cumulative evaporation is then corrected upwards by considering the ratio of the energy budget over an energy year (no net storage). As a third objective, the temporal trends of the reservoir thermal regime is characterized by thermal profile measurements of the water column using two thermistors chains, between June 2018 and June 2022. The turbining data provides the opportunity to quantify the water budget of the reservoir and the associated full energy budget. Results show that there are temporal thermal amplitude lags between the surface and the deeper layers. The interannual variability of the thermocline remains small, but the depth and thermal gradient vary with water level and turbining. The water budget is dominated at the inlet and outlet by the turbined flows (61.4% from the upstream reservoir and 88.0% via the downstream power station), while the energy budget is mainly governed at the inlet by net radiation (62.3%) and at the outlet by both the sensible and latent heat fluxes (41.2%) and reservoir flow (37.4%). Ultimately, this thesis provides a methodical and structured analysis of results obtained over a long period of fieldwork in a remote environment. It is based on measurement technics that have not been widely used up to now in a hostile climatic region of a coastal boreal hydroelectric reservoir, the lower Côte Nord of Québec.

La modélisation des massifs rocheux fracturés est un problèmes important dans de nombreux secteurs industriels, y compris, mais sans s'y limiter à l'exploitation pétrolière et gazière. Dans la littérature, les roches fracturées sont reconnues comme des milieux à double porosité et double perméabilité dans lesquels le réseau de fractures fournit la perméabilité primaire et la matrice rocheuse la perméabilité secondaire. L'idée de la dissociation de l'écoulement à l'intérieur du réseau de fractures et de la matrice,la double perméabilité, est toujours contestée pour les réservoirs fracturés. De nombreuses contributions sur cette question ont été présentées dans la littérature et les méthodes utilisées pourraient être classées dans deux approches principales : approches continues et discontinues. Chaque approche a ses avantages et ses limites. Pour surmonter les limites en gardant les avantages de ces deux approches, une approche nommée Embedded Fracture Continumm Approach (EFCA) qui emprunte le concept du modèle continu et intègre également l'effet des fractures explicites est considérée dans cette thèse. L'idée principale de cette approche repose sur le concept de la « cellule fracturée » représentant un milieu poreux qui a ses propres propriétés calculées à partir des propriétés de la matrice poreuse et des fractures qui la traversent. Le code de calcul développé dans le cadre de ce travail est basé sur la bibliothèque source DEAL.II. L'exactitude de l'EFCA a été étudiée à travers de différents tests. Plusieurs applications traitées dans ce travail comme la détermination des propriétés hydro-mécaniques effectives d'un site réel, estimation de la production de puits dans laquelle les fractures sont modélisées explicitement, démontrent la performance de l'EFCA dans la modélisation des roches fracturées ainsi que l'effet de la double porosité et de la double perméabilité aux comportements des réservoirs fracturés. / Fractured rock masses modeling is a challenge issue in many field of industry including but not limited to oiland gas exploitation. In the literature, fractured rock masse are in many cases recognized as double permeability medium in which fracture network provides the primary permeability and rock matrix plays asthe second one. The idea of dissociation of flow inside the fracture network and the matrix, the double permeability, is still challenged for fractured reservoirs. Numerous contributions on this issue have been presented in the past could be cast in two main approaches: continuum media approach and discontinuous approach. Each approach has its advantages and limitations. To overcome the limitation and to take advantage of these two approaches, the Embedded Fractured Continuum Approach (EFCA) which borrows the concept of continuum models and also incorporates the effect of explicit fractures is considered in this thesis. The principal idea of this approach lies on the concept of fracture cell representing a porous medium that has their own properties calculated from the properties of porous matrix and fractures intersecting it.The development in this work was conducted by using the library source code DEAL.II. The accuracy of EFCA was investigated through different verifications. Through some applications: determination of effective hydro-mechanical properties of an actual site, estimation of well production in which necessary fractures are modeled explicitly, we demonstrate the performance of the EFCA in the modeling fracture drock masses as well as the effect of double porosity and double permeability on behaviours of fractured reservoirs.

Les processus d'interactions fluide-roche à l'interface eau douce-eau salée, dans les aquifères carbonatés côtiers soumis à une intrusion saline, sont une des causes du développement d'hétérogénéités dans la structure du milieu poreux. Les dissolutions et/ou précipitations engendrées par la présence de cette zone de mélange jouent un rôle déterminant pour les propriétés de transport du réservoir et donc l'évolution à long terme de l'intrusion d'eau salée. En prenant l'exemple de la plateforme carbonatée de Llucmajor au niveau du site expérimental de Ses Sitjoles (Sud-Est de Majorque, Espagne), un travail de caractérisation et d'observation in situ à moyen terme de l'intrusion saline actuelle de ce réservoir permet de décrire son évolution temporelle et les processus biogéochimiques actifs dans la zone de mélange. L'influence de la microstructure du milieu poreux, caractérisée par microtomographie RX, sur les propriétés pétrophysiques et hydrodynamiques est étudiée en laboratoire et des expériences de percolations d'eaux réactives (mélanges eau douce - eau salée et eau pure chargée en CO2) sont réalisées afin d'étudier les modifications de ces microstructures lorsqu'elles sont soumises à des interactions eau - roche. La zone de mélange eau douce - eau salée rencontrée au niveau du site de Ses Sitjoles est large et peu sensible aux contraintes extérieures (climatologiques et anthropiques) et constitue un lieu d'activité microbiologique particulièrement actif. En laboratoire, on observe un fort contrôle des phénomènes de transport par la microporosité et des processus d'interactions eau - roche par la pCO2. Dans le cas d'une percolation de fluides moyennement réactifs, les expériences mettent en évidence une dissolution de calcite accompagnée par une diminution de la perméabilité, liée à un réarrangement des micro-grains à l'intérieur du réseau microporeux.

La dynamique des courants de turbidité est fortement contrôlée par la morphologie du fond marin. Les turbidites issues de ces courants constituent des réservoirs d’hydrocarbures très importants dans les bassins sédimentaires à travers le monde. L'objectif principal de ce travail est de comprendre comment le paleorelief a contrôlé la géométrie et l'architecture des réservoirs turbiditiques, en utilisant comme zone d'étude les réservoirs du Crétacé d'un champ pétrolier du bassin de Campos (offshore du Brésil), où la tectonique a été en partie dominée par l'halocinèse. La méthodologie utilisée dans cette thèse a couplé deux approches. La première a inclus à la fois la description des séquences sédimentaires, à partir de données de sismique-réflexion et de puits, et les restaurations structurales. Six horizons régionaux et quatre unités-réservoirs ont été identifiés et cartographiés afin de construire un modèle géologique multi-2D. Ces surfaces ont ensuite été aussi restaurées. Les résultats de cette étape suggèrent que les failles liées à l'halocinèse ont contraint la paléotopographie pour le dépôt des réservoirs plus anciens et que des structures tectoniques et un canyon ont formés les contraintes paléotopographiques pour la distribution des réservoirs plus jeunes. La seconde approche a été l'analyse du rôle des paramètres des écoulements en effectuant des simulations numériques du type stratigraphique (Dionisos) et des automates cellulaires (CATS). Une surface restaurée, considérée comme référence pour le dépôt des unités-réservoirs a été utilisée comme paléotopographie pour les simulations CATS. Le modèle numérique a été contraint par les données réservoirs. Cette utilisation inédite des simulations 3D avec des automates cellulaires dans une étude de cas réel concernant des dépôts marins anciens a produit des résultats réalistes par rapport aux exemples modernes connus. Elle a également fourni des résultats plus exploitables à l'échelle de réservoir que les modèles numériques de type "stratigraphique". Ce travail met en évidence l'importance des interactions tectonique-sédimentation et de la paléotopographie pour la distribution de réservoirs turbiditiques. / The dynamic of gravity-driven turbidity currents is strongly influenced by the morphology of the seafloor. The resulting turbidites constitute important hydrocarbon reservoirs in sedimentary basins throughout the world. The main objective of the present work is thus to understand the way the paleorelief controls turbidite reservoir architectures, with application in a specific study area with Cretaceous reservoirs in Campos Basin (Brazilian offshore). The tectonics in this Basin was partly controlled by halokinesis. The first approach was describing the local Cretaceous sedimentary sequence architecture, from seismic and well data, and performing structural restorations. Six regional horizons and four reservoir-scale units were identified and mapped in order to build a multi-2D geological model. Structural restorations highlighted the structural evolution and allowed the related horizon palaeotopography to be obtained. The results of this work step suggest that the halokinesis-related listric faults regulated the distribution of the basal reservoirs. Moreover, at the top of the Albian carbonates, a canyon was identified, which, in association with the tectonic structures, forms the palaeotopographic constraints for the upper reservoir geometry. The second approach was analyzing the role of flow controlling parameters by performing stratigraphic (Dionisos) and cellular automata-based (CATS) numerical simulations. The latter provided a more appropriate reservoir scale-simulation process than Dionisos. A restored surface, considered as reference for the deposition of the reservoir units, was used as the palaeotopography for CATS simulations, having as constraints the reservoir data. This pioneer use of cellular automata simulations in a real subsurface case study produced coherent results when compared with the actual reservoir distribution. This work sheds light on the importance of tectonic-sedimentation interactions and of palaeotopography for the distribution of turbidite reservoirs.