Les réservoirs carbonatés sont exploités pour leur réserve d’eau potable, de ressource géothermique ou le stockage géologique du dioxyde de carbone. Ces réservoirs sont difficiles à caractériser à cause d’une histoire diagénétique souvent complexe. Cette thèse offre de nouvelles perspectives sur la caractérisation des propriétés pétrophysiques et élastiques des calcaires urgoniens de Provence. Une approche intégrée et multi-échelle est proposée pour caractériser les propriétés pétrophysiques et élastiques des carbonates. Cette étude est basée sur des mesures de vitesse d’ondes P (Vp) et S (Vs) à l’échelle du laboratoire (centimètre–décimètre) et du terrain (mètre–décamètre). En laboratoire, les Vp et Vs ainsi que l’anisotropie sont mesurées sur des plugs et sur des carottes, en utilisant différentes fréquences centrales ultrasonores. Sur le terrain, l’approche consiste à mesurer les Vp et Vs entre deux puits distant de 2 m sur une profondeur de 14 m. Les mesures sont ensuite interprétées en fonction de la géologie observée aux échelles macro- et microscopiques. Les principaux résultats montrent que les Vp et Vs moyennes sont indépendantes de l’échelle de mesure, car elles sont dictées par la porosité. L’anisotropie causée par les fractures (15%) et les hétérogénéités (5%) se manifestent par une variabilité autour des vitesses moyennes. L’approche adoptée ici a permis de définir les interactions entre les propriétés de la matrice, les hétérogénéités, les fractures et les propriétés élastiques des roches carbonatées. Elle a montré que les propriétés élastiques tout comme les structures géologiques varient en fonction de l’échelle. / Carbonate reservoirs are also exploited for water production, geothermal energy, and carbon geological storage. Their Geophysical characterization remains challenging because of complex diagenetic history. This work offers new insights into the characterization of petrophysical, and elastic properties of the Urgonian limestones in the Provence region. An integrated multi-scale approach is proposed to characterize carbonate rocks petrophysical and elastic properties. This study relies on P- and S-wave velocity (Vp and Vs) measurements carried out at laboratory (centimeter–decimeter) and field (meter–decameter) scales. Laboratory scale Vp, Vs, and anisotropy are measured on plugs and cores, while on the field they are measured between two boreholes (crosshole) over a distance of 2 m and 14 m depth. The measurements are then compared to the geology from the macro- to the microscopic scale. The main results show that the average Vp and Vs are porosity related, and are independent from scale. Anisotropy caused by fractures (15%) and heterogeneities (5%) is responsible for variations around the mean velocities. The approach adopted during this work has enabled to scope out the interplay between matrix properties, heterogeneity, fracturing, and elastic properties in carbonate rocks. It has shown that the elastic properties evolve with scale as well as the geological structures.

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.