La modélisation quantitative du transfert de l'eau et des solutés dans la zone non saturée des sols nécessite la mesure in situ des paramètres hydro-dispersifs. L'infiltrométrie sous pression controlée couplée à l'utilisation de traceurs de l'écoulement de l'eau est pour cela un outil efficace et simple à mettre en oeuvre sur le terrain. La modélisation des transferts et l'analyse des résultats des calculs conduit à une methode simplifiée de caracterisation hydro-dispersive par infiltrométrie. La conductivité hydraulique K et la sorptivité S sont estimées à partir de l'analyse aux temps courts ou aux temps longs de l'infiltration cumulée. La méthode mono-tracage est utilisée pour le calcul de la fraction d'eau mobile F. Une nouvelle méthode d'estimation du coefficient de dispersion D est proposée. Elle est telle que D reste l'unique paramètre à ajuster sur les données issues de l'échantillonnage du sol à la fin de l'infiltration. L'incertitude d'estimation est de plus définie pour chacun des paramètres. Le domaine de validité des méthodes est precisé à partir de données genérées numeriquement. Pour le calcul de K, S et F, il est défini à partir des temps caracteristiques de l'écoulement de l'eau, de la lame de solution infiltrée et de la dispersivité du milieu. La validité du mode de détermination de D dépend du nombre adimensionnel pext. Trois sols sont caracterisés in situ. La porosité bimodale des deux premiers induit une forte augmentation des paramètres hydrodynamiques à l'approche de la saturation, et de F avec la taille moyenne de pores hydrauliquement fonctionnels. Le troisième est soumis à l'encroutement de surface. Les résultats de la caractérisation hydro-dispersive renforcés par l'observation du réseau poral sur lames minces montre que le rôle des croutes de surface sur l'infiltrabilité est minimisé par rapport à celui du sol sous-jacent. De plus, le sol sous-jacent semble protegé de la coalescence par les croutes de surface.

Modéliser les phénomènes de transport de solutés organiques en milieux poreux colonisés par des populations bactériennes se développant sous forme de biofilms est un domaine de recherche important pour un certain nombre d’applications environnementales, comme par exemple pour les méthodes de bioremédiation des sols et des eaux contaminés par des polluants organiques (biosparging, bio-barrières …). Les biofilms, qui sont composés principalement de bactéries et de substances polymériques extracellulaires, peuvent se développer sur les parois de grains d’un milieu poreux. Le métabolisme bactérien dégrade les solutés organiques et contribue ainsi à la diminution de la contamination. Le transport bio-réactif de composés organiques dans un milieu poreux incluant un biofilm est un problème fortement multi-échelle (depuis l’échelle de la bactérie jusqu’à l’échelle de l’aquifère) et fortement couplé (avec des phénomènes hydrodynamiques, physico-chimiques et biochimiques). Le soluté organique est transporté par convection et diffusion dans la phase fluide et diffuse dans la phase biofilm, où il est dégradé par le métabolisme bactérien. Le but de ce travail est de développer des modèles de transport bio-réactif définis à l’échelle de Darcy à partir des données disponibles à l’échelle du pore, en adoptant la méthode de changement d’échelle dite de prise de moyenne volumique. Dans le cas général, une telle approche conduit à un modèle macroscopique de transport à deux équations couplées (une équation par phase de transport). En considérant les relations entre les concentrations moyennées dans chaque phase, plusieurs régimes de transport permettant de dégénérer ce modèle en modèle à une seule équation peuvent être identifiés. L’hypothèse d’équilibre de masse local conduit à un tel modèle simplifié. En condition de non-équilibre, deux cas limites permettent également de développer des modèles de transport à une équation : le cas où le taux de biodégradation est contrôlé par le transfert de masse externe et le cas ou il est contrôlé par la cinétique de réaction. L’utilisation de ces quatre modèles implique la résolution numérique de problèmes de fermeture, afin d’évaluer les paramètres macroscopiques de transports (tenseur de dispersion, taux de dégradation …). Des calculs de coefficients effectifs ont été effectués dans différentes conditions de transport afin d’étudier leur comportement. Les résultats de ces modèles ont été comparés avec ceux obtenus par simulations directe à l’échelle microscopique pour une géométrie de pore bidimensionnelle stratifiée. À partir de ces comparaisons, les domaines de validité de chaque modèle ont été identifiés en termes de conditions hydrodynamique et biochimique de transport. (i.e. le nombre de Péclet et le nombre de Damköhler). Le développement d’un modèle expérimental de transport en milieux poreux incluant un biofilm a également été entamé, afin d’une part d’effectuer une validation expérimentale des modèles numériques préalablement développés et d’autre part de fournir un outil supplémentaire pour l’étude des phénomènes considérés / Modeling transport in porous media of organic chemical solute in presence of a bacterial population growing as biofilms is an important area of research for environmental applications, for example for remediation of groundwater contaminated by organic pollutants (biosparging, bio-barriers …). Biofilms, which are composed of bacteria and extracellular organic substances, grow on the pore walls of the porous medium. Bacteria degrade the organic solute by their metabolism and thus may contribute to pollution decrease. Bio-reactive transport of an organic solute in a porous medium including a biofilm phase is a strongly multi-scale (from the bacteria scale to the heterogeneity scale of the aquifer) and coupled (involving hydrodynamic, physicochemical and biochemical phenomena) process. The organic solute is transported by convection and diffusion in the fluid phase and diffuses into the biofilm phase, where it is degraded by bacterial metabolism. The goal of this work is to develop macroscopic models of bio-reactive transport at the Darcy-scale through volume averaging based on the data available at pore-scale. In the general case, the macroscopic system obtained by averaging pore-scale equations is a two coupled equations system (one equation for each phase), called two-equation model. By considering the relation between averaged concentration in the fluid phase and averaged concentration in the biofilm phase, several regimes of transport can be found which allow simplifying this system into a one equation system. The local mass equilibrium assumption leads to such a simplified model. When an equilibrium relationship between phases cannot be considered, a one equation model may though be developed if the biodegration rate is limited by external mass transfer or by the kinetics of bacterial metabolism. The use of these models implies the numerical solving of closure problems, in order to set up the values of the macroscopic transport parameters (dispersion tensor, interfacial flux …). Computations of these effective coefficients have been performed in different situations of mass transport in porous medium in order to study their behaviour. The results of these models have then been compared with direct simulations performed on a simplified geometry representative of a two-dimensional porous medium including a biofilm phase. Based on these comparisons, the validity domain of this model has been identified in terms of hydrodynamic and biochemical conditions of transport (i.e. the Péclet number and the Damköhler number). The set up of an experimental model of transport in a porous media including a biofilm phase has also been started, in order to make experimental validations of the previously developed numerical models and to build up an additional tool to study the considered phenomena

RÉSUMÉ : Le but de cette thèse est d’étudier en ab initio l’influence des solutés hydrogène ou oxygène sur les défauts étendus dans le titane alpha. Les résultats sont divisés en trois parties. Dans la première partie le site interstitiel octaédrique du Ti-alpha est trouvé être le site énergétiquement le plus favorable pour un H ou un O. Les calculs avec différentes concentrations en H ou O montrent que la présence d’H augmente le volume tandis que O a un effet inverse. La présence d’H en soluté diminue légèrement les constantes élastiques, la présence d’O a un effet opposé. Deux nouvelles SF sont trouvées dans la deuxième partie : une faute 0,57·(c+a) dans le plan π2 et 0,215·[1-102] dans le plan π1. La deuxième est reliée à la faible énergie de formation de la macle {10-11}. Un mécanisme de dissociation triple du cœur de la dislocation vis c+a est proposé. Mais cette dissociation ne semble pas se produire spontanément à partir d'un cœur de dislocation initialement parfait. Puisque la ségrégation à la faute signifie une diminution de l’énergie de faute, nous déduisons de nos calculs de ségrégation que la présence d'O rend sans doute la formation des SF énergétiquement plus difficile, contrairement au cas d’H. H ségrége fortement au cœur d’une dislocation vis a, avec une énergie variant de 0,06 à 0,30 eV, tandis que O y segrége très difficilement. Positionnés dans les sites les plus internes du cœur d’une dissociation prismatique métastable, en glissement, H et O induisent une dissociation dans le plan π1 ou vers une configuration prisme-π1 mélangée. Les barrières d'énergie de Peierls mesurées avec H et O dans différents sites et avec différentes concentrations montrent que H rend le glissement de la dislocation plus difficile, augmentant ainsi sans doute la cission critique résolue dans le plan prismatique, ce qui est en accord avec les mesures expérimentales. Mais les effets de H ne sont pas assez grands pour induire un glissement dévié vers le plan π1 et la dislocation continuera à glisser dans un même plan prismatique. Avec un O, la barrière d'énergie de Peierls est extrêmement élevée, beaucoup plus que celle pour un glissement dans le plan π1 ou un glissement dans le plan prismatique le plus proche. Du glissement dévié devrait ainsi être induit. Finalement, trois méthodes différentes de déformations de macles sont utilisées. Les stabilités structurale des joints de macles dépendent de leurs caractères structuraux intrinsèques mais aussi des modes de déformation appliqués. La macle la plus observée, {10-12}, et la macle {11-22} ne résistent pas à une déformation de plus de 1% ou 2% selon l’axe c. La présence de H ou O ségrégés améliorent la stabilité des macles {10-12} et {11-22}. Un modèle de dipôle de dislocations de mâclage (TD) est proposé pour permettre de simuler une TD dans une super-cellule de petite taille. Pour {10-12} et sa TD, les énergies de ségrégation de H et O mesurées au niveau du joint permettent de valider ce modèle. H et O peuvent se distribuer de manière plus ou moins homogène au joint et niveau de la TD mais pas dans les sites interstitiels de la couche atomique liée à la TD. / ABSTRACT: The aim of this thesis is to study the influence of hydrogen or oxygen solutes on extended defects in alpha titanium by ab initio calculation. Results are divided into three parts. In a first part the octahedral interstitial site of alpha-Ti is found energetically more favorable for a H or an O atom. The presence of H increases the volume while O has the opposite effect. The presence of H slightly decreases the elastic constants of alpha-Ti while O has an opposite effect. In a second part two new SFs are found: 0.57·(c+a) on π2 and 0.215·[1-102] on π1 plane. The second one is related to the low formation energy of the {10-11} twin boundary. A c+a screw dislocation 3-part dissociation mechanism is proposed. However the c+a screw core tends to spread differently according to the initial core position and a complete 3-part dissociation is not found, which may mean that such a dissociation is not easily obtainable from an initially perfect dislocation core. As segregation to SF means a decrease of the SF energy, the presence of O may make the SF formation energetically more difficult, contrary to H case. H strongly segregates to the a screw dislocation core region with segregation energies varing from 0.06 to 0.3 eV while O hardly segregates to it. Both H and O in core sites change the meta-stable gliding prismatic dissociation to π1 plane or a prism-π1 plane mixed configuration. According to our measurements of Peierls energy barriers with H or O in different sites and concentrations, H makes the gliding more difficult, thus increasing the CRSS in prismatic plane, in agreement with experimental measurements. The effect of H is not big enough to induce a cross-slip of the gliding a-screw dislocation to the π1 plane and that screw will prefer to keep on gliding in its same prismatic plane. The Peierls energy barrier is extremely increased when an O is present in the core position, much higher than the barrier for π1 plane glide or a glide in the nearest prismatic plane. A cross-slip could happen in this case. In the last part, three different deformations are applied to TBs. Their structural stabilities depend not only on their intrinsic characters at the atomistic level but also on the deformation mode applied. {10-12}, {11-22} TB structures fail for deformations as low as 1% or 2% along the c-axis. The {11-21} and the {10-11} TBs are much more resistant. The presence of segregated H and O enhances the {10-12} and {11-22} TB limited stability. A twinning disconnection dipole model is proposed which allows the simulation of a TD in a size limited supercell. Segregation energy calculations with the {10-12} TB and its TD validate the model at the TB level and show that H and O should distribute more or less homogeneously to the TD core and the TB, with only a slight preference to the TD core although not at the interstitial sites of the atomic layer related to the disconnection step itself.

L'irrigation à la raie compte parmi les techniques d'irrigation les plus répandues dans le monde et le recours à la micro-irrigation qui permet d'adapter les apports d'eau et de fertilisants selon les besoins de la plante au cours de la saison de culture est en forte augmentation. La maîtrise des transferts bi- et tridirectionnels eau-solutés dans le contexte de ces pratiques est très important. Il permet leur amélioration afin de limiter les gaspillages d'eau, le lessivage d'azote et d'optimiser le rendement des cultures.<br /><br />La modélisation développée ici se propose de représenter les transferts eau-soluté en se basant sur une résolution semi-analytique des équations de transferts bi- et tridirectionnels (équation de Richards et équation de convection-diffusion de solutés). Le caractère analytique de ce type de modélisation permet de simuler des événements aux pas de temps variant entre l'heure pour une irrigation et la journée pour la redistribution de l'eau et des solutés dans le sol. Elle permet en outre de s'affranchir des contraintes propres aux schémas numériques : conditions de convergence de la solution et temps de calculs conséquents. Cette modélisation fondée sur des bases mécanistes conserve, en dépit de certaines hypothèses simplificatrices, un caractère hautement prédictif.<br /><br />Compte tenu de la complexité de la géométrie du domaine, notamment en irrigation à la raie, et afin de pouvoir traiter des conditions initiales hétérogènes, le problème général est décomposé en problèmes élémentaires dont la résolution analytique est rendu possible par l'utilisation de la fonction de Green. La solution du problème général est alors obtenue par superposition des solutions analytiques de ces problèmes élémentaires.<br /><br />La méthode utilisée a l'avantage d'être adaptative. Elle permet de modéliser différentes pratiques d'irrigation et de fertilisation sur une vaste échelle de pas de temps. La résolution analytique peut également être appliquée de la même façon sur les transferts hydriques, les transferts de solutés et permet également la modélisation de l'extraction racinaire. Son efficacité et son domaine de validité sont cependant limités par les hypothèses sur lesquelles repose sa construction. Des méthodes permettant d'accroître les potentialités de cette modélisation sont à cet égard proposées.

La présence d'air dans le sol agit sur l 'écoulement de l'eau en augmentant les frottements visqueux. Elle influe également sur le transfert de matière soluble en faisant apparaitre des zones d'eau stagnante au sein du milieu poreux. Cette eau stagnante se comporte alors comme un "puits "pour la substance soluble, l'échange entre eau mobile et eau immobile se faisant par diffusion moléculaire. L'étude de transfert d'eau et de soluté en présence d'une phase gazeuse, à concentration volumique variable, est abordée en trois étapes : - après une revue des travaux antérieurs on présente un dispositif de mesure non-destructif original permettant d'acquérir des données fiables dans le milieu poreux. L'analyse des données expérimentales a mis en évidence l'effet de la désaturation en eau sur les transferts des substances chimiques transportées par l'eau. - en tenant compte des résultats expérimentaux on propose ensuite une description et une modélisation mathématique des transferts d'eau et de soluté. Les paramètres intervenants dans la modélisation sont évalués à partir de certaines expériences. - on résout enfin numériquement le système d'équations fourni par la modélisation par la méthode des différences finies. La comparaison entre les résultats expérimentaux non utilisés pour la détermination des paramètres et les valeurs calculées montre que le modèle proposé donne une description tout à fait satisfaisante de la réalité physique. De plus, les lois de variation des paramètres obtenues pour un sol sableux, étendues à un sol argileux mettent en évidence que la fraction d'eau immobile est une donnée essentielle du transfert et que les études futures devront être orientées sur ce point.

Le transport des composants chimiques dans le sol par l'eau est une cause principale de la pollution du sol. Ce transport a lieu autour des remblais et de la zone de stockage du déchet nucléaire, des rejets et des pertes de mine, etc. Un grand nombre de ces sites est non saturé de l'eau et dans certains cas la chaleur peut changer le destin des espèces chimiques, qui nous mènent à un problème couplé dans le milieu multiphasique. Dans ce mémoire, les simulations numériques avec un modèle thermo-hydro-mécanique existant et les modélisations théoriques et les simulations numériques du transport et les interactions d'une espèce chimique dans les milieux multiphasiques sont présentées. Les formulations THM intégrées dans le Code_Aster sont présentés. L'excavation, la mise en place de barrière ouvragée et le chargement thermique de puits de stockage des déchets nucléaires sont modélisés. La vérification du modèle est presentée à travers de ces simulations numériques. Une modélisation théorique du comportement thermo-hydro-mécanique couplée aux phénomènes chimiques est ensuite présentée dans le cadre d'une approche entièrement couplée dans laquelle l'eau, le gaz, l'espèce chimique et le squelette de sol ont été considérés comme constituants; les inconnues correspondantes sont la température, la pression de l'eau, la pression de gaz, la concentration chimique et les déplacements. Pour chaque constituant, l'équation de bilan de masse et la loi de comportement appropriée sont écrites et résolues simultanément. Les résultats de ce modèle ont été comparés à des résultats théoriques et expérimentaux existant dans la littérature. Les résultats de quelques applications du modèle sont également présentées. Enfin, quelques perspectives de recherche sont proposées. En particulier, il y a un besoin d'effectuer des expériences pour obtenir les paramètres nécessaires du sol pour permettre de modéliser plus précisément le transport de la chaleur et du soluté dans les sols non saturés et déformables.

La tomographie de résistivité électrique (ERT) est une méthode courante géophysique de terrain, souvent utilisée pour détecter et l’évolution suivre les panaches de polluants en zone saturée. L’ERT est cependant une méthode intégratrice dont la fiabilité des modèles est confronte aux problèmes de non unicité des solutions du problème inverse. Ces contraintes limitent l’interprétation des modèles a un aspect qualitatif de la distribution des contrastes de résistivité modélises en 2D ou 3D, résultant du choix des paramètres d’inversion et de l’association de paramètres du milieu non identifiables a l’échelle du volume poreux.Cette thèse propose de tester la faisabilité de la méthode pour quantifier les paramètres de transport de polluants et de solutés miscibles au contact des eaux souterraines, ainsi que la sensibilité des paramètres d’inversion les plus influents sur la modélisation.Les tests expérimentaux sont réalisés en laboratoire sur des empilements 2D de billes de verre sphériques (de l’ordre de la 100èn de μm) dans un réservoir en plexiglas transparent. Deux réseaux verticaux de 21 électrodes sont disposes sur les bords latéraux du réservoir pour effectuer le suivi ERT du traceur sale (NaCl dissout) a partir de 210 points de mesures en dipôle-dipôle transverse acquis toutes les 5 minutes afin d’optimiser la résolution temporelle. Le dispositif est également dispose face a un panneau lumineux permettant de réalise un suivi vidéo simultané du colorant.L’analyse vidéo révèle une propagation plus rapide du colorant sur les bords latéraux qui reste somme toute négligeable pour les débits a la pompe les plus faibles. En revanche les mesures ERT sont fortement perturbées par les effets résistant de la cellule plexiglas qui se répercutent sur les modèles. La normalisation des mesures de résistivité apparente à partir d’une série acquise à l’état initial permet de les atténuer fortement.La modélisation est particulièrement sensible au choix du maillage, aux normes appliques (L1 ou L2) sur les données et les paramètres, et au facteur d’amortissement _. Des valeurs trop élevées de _ et du facteur d’acceptance tendent à lisser les contrastes au niveau du front de dispersion et augmentent l’impact des effets des bords horizontaux sur D et _. A l’inverse, une modélisation contrainte par de faibles valeurs de α et du facteur d’acceptante donne des résultats plus proches l’analyse vidéo, mais produit des effets de bosses à l’avant et à l’arrière du front.La vitesse interstitiel u est indépendante du choix des paramètres d’inversion pour l’ERT. Pour les deux méthodes u est toujours inférieure au débit impose par la pompe, dont le décalage est exprimé par le facteur retard Rf . Les effets de retard résultent de l’adsorption du Na+ sur les surfaces des billes de verre chargées négativement qui retarde le front de dispersion du suivi ERT. Pour le suivi vidéo, la taille importante de la molécule du colorant favorise son piégeage dans les zones ou la perméabilité est plus faible, en plus d’une éventuelle affinité avec la surface solide. Les contrastes de conductivité et la stabilité de l’interface créent par la différence de densité entre les fluides testes ici n’ont pas d’influences significatives sur la dispersion qui est dominée par le débit impose a la pompe. Les estimations du coefficient de dispersion D en fonction du nombre de Péclet sont cohérentes avec la courbe théorique de Bachmat (1968). Cependant la dispersivité α augmente pour les vitesses d’écoulement les plus élevées. Les premières expérimentations de terrain réalises en 2D sur des sables de Fontainebleau présentent l’avantage de s’affranchir des effets de bords inhérents au laboratoire. En revanche la recalibration des données normalisées par la loi de Archie est plus complexe puisqu’il est nécessaire de tenir compte de l’état de saturation de la résistivité des fluides initialement présents. De plus l’erreur importante sur les modèles ne permet pas de déduire une estimation fiable des paramètres de transport u, α (ou D), et Rf . / Electrical resistivity tomography is a common geophysical method often used to detect and follow plumepollutants in aquifers. However ERT is an integrative method whose reliability of the models is faced tothe non-unicity of the inverse problem solutions. These constraints limit the interpretation to a qualitativeview of the resistivity contrasts modelled in 2D or 3D, resulting of the chosen inverse parameters and thecombination of several hydrodynamic paramaters related to the poral network.The purpose of this thesis was to test the abilities of the ERT imaging to quantify solute transport parametersin miscible displacement occurred in groundwater and the sensitivity of inverse parameters most affectingthe modelled dispersion front.Laboratory experiments are conducted on glass beads poured into a transparent plexiglas container. Twovertical lines of 21 stainless steel electrodes are fixed on the lateral sides of the container to perform the ERTmonitoring, of the NaCl dissolved in the tracer, from a sequence of 210 quadripole measurements acquiredin transverse dipole-dipole each 5 minutes. A light panel is placed behind the experimental device and avideo follow up of the dyed part of the tracer is acquired from the other side.Video analysis reveal a faster propagation of the dye in contact of the vertical edge, which is negligible forthe lowest flow rates imposed by the pump. In contrast, ERT mesurements are strongly disturbed by theresistant edges of the plexiglas container which affect the resulting models. Normalisation of the apparentresisitivity measurements acquired at the experimental stage and by the Archie’s law strongly tones downthese resistive artefacts.ERT modelling is here particularly sensitive to the grid mesh, the norm (L1 or L2 ) applied on data andparameters, and the damping factor λ. High values of λ and the cutoff factor tend to smooth the resistivityconstrasts in the area of the mixing front and increase the weight of the horizontal edge effects on D andα. While results from inverse modelling constraint by low λ and cutoff factors are much closer to the videoanalysis but with enhanced side slope effects at the rear and the front of the mixing area.The interstitial velocity u is independant of the chosen inverse parameters. For both methods u is alwaysinferior to the flow rate provided by the pump, whose the gap is expressed as a retardation factor Rf . Thisretardation is due to adsorption of Na+ on the beads surfaces, which contributes to delay the dispersionfront followed by ERT. The retardation expressed by the video analysis can be due to the important sizeof the molecule of the dye which is easily slowed down in lower permeability areas, added to an eventualaffinity to the solid surface.The ranges of fluid conductivity contrasts and stability of the interfaces tested here have no influences onthe dispersion which is dominated by the flow velocity u. Estimations of the dispersion coefficient D asfunction of the Péclet is consistent with the theoretical curve of Bachmat (1968) and Bijeljic & al (2004).Field experiments are first conducted in 2D on homogeneous unsaturated sand which is considered as aninfinite half-space. However, data normalisation is much more complicated since the saturation state andthe initial fluid conductivities need to be estimated to calibrate the Archie’s law. Because of the 3D tracerinflitration, the RMS error of 2D-ERT models highlights that the inversion process is not enough constraintby data which does not allow to quantify the transport parameters. 3D experiments were then adaptedto detect and follow plumes of saline tracers injected in the centre of the electrode device. From 3D ERTmeasurements we are able to produce reliable models in order to estimate such transport parameters as themean flow velocity, and transverse and longitudinal dispersivities.

La recherche sur le stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde est conduite, en France, dans les argilites du Callovo-Oxfordien (Est du Bassin de Paris). L'origine et l'histoire de l'eau présente dans cette roche argileuse peu perméable est une problématique majeure alors qu'il s'agit du vecteur de radioactivité vers la biosphère. Différents traceurs géochimiques (ΔD, Δ18O, 87Sr/86Sr et teneurs en gaz rares) sont utilisés ici pour comprendre l'origine et l'histoire de l'eau porale. La principale difficulté réside dans l'impossibilité d'extraire l'eau des argillites, ayant rendu nécessaire la mise au point de protocoles analytiques rigoureux adaptés à ce type de roches. Les résultats obtenus sont confrontés aux analyses géochimiques des eaux des formations calcaires qui encadrent les argilites. Les origines des eaux et les interactions avec les roches avec lesquelles elles sont ou ont été en contact constituent l'intérêt de ce travail. L'analyse de la texture des argilites par adsorption de gaz permet en outre d'étudier leur porosité, leur capacité d'adsorption ainsi que leur comportement à l'hydratation.<br /> Les eaux porales des argilites s'avèrent être d'origine météorique, ce qui signifie que les eaux marines originellement présentes ont été envahies par des eaux météoriques, probablement par diffusion. Les eaux des deux formations calcaires encadrant les argilites présentent des signatures géochimiques distinctes, révélant le rôle d'écran joué par la couche imperméable des argilites.

L’évolution d’une phase microbienne au sein d’un milieu poreux est un processus complexe de par la prise en compte des effets de croissance (ou de mortalité) et d’étalement de la phase cellulaire. D’autres processus tels que l’arrachement d’une partie du biofilm ou l’attachement-détachement de cellules mobiles depuis la phase fluide peuvent aussi contribuer à la variation du volume de biofilm présent. Une meilleure compréhension des interactions mis en jeu entre les processus de croissance de biofilm, du transport de soluté et de l’écoulement et une modélisation rigoureuse de ce processus de croissance à l’échelle microscopique est un enjeu essentiel à une prédiction plus fine du devenir des polluants dans les sols. L’évolution temporelle d’un milieu poreux sous l’effet de l’activité biologique constitue toutefois à l’heure actuelle un défi scientifique majeur d’un point de vue de la modélisation numérique. Les variations locales de la géométrie du domaine (bio-obstruction des pores) induisent en effet une chenalisation de l’écoulement et du transport qui va évoluer au cours du temps. Si différentes méthodes numériques – lagrangiennes ou eulériennes – ont été développées (méthode de capture du front, méthode d’interface diffuse de type « Level Set » ou « Volume Of Fluid »), elles restent souvent peu adaptées à des modélisations 3D à l’échelle du pore (temps de calcul, remaillage parfois nécessaire, problème de gain ou de perte de masse). Nous combinons ici une méthode IBM (Immersed Boundary Method) à une méthode LBM (Lattice Boltzman Method) pour le calcul de l’écoulement en 3D tandis qu’une approche de type VOF (Volume of Fluid) ou par reconstruction d’interface couplée à une discrétisation en Volume Finis est utilisée pour le transport des espèces chimiques. L’intérêt ici de la méthode IB-LBM est de pouvoir bénéficier de la précision de la formulation Lattice- Boltzmann tout en travaillant sur un maillage fixe, un terme correcteur venant modifier la vitesse au voisinage des interfaces mobiles. Le modèle d’écoulement-transport en milieu poreux évolutif développé est ensuite couplé à un modèle d’automate cellulaire prenant en compte les processus d’attachement-détachement. Le modèle est comparé à des benchmarks numériques et utilisé pour étudier les différents régimes de croissance du biofilm en fonction des conditions hydrodynamiques. Dans le dernier chapitre, ce modèle est étendu à la prise en compte d’une phase non-miscible afin d’étudier l’impact des processus de biodégradation sur la dissolution d’une phase polluante piégé. On se limite aux conditions où le NAPL est à saturation résiduelle. L’influence de la production de biosurfactant sur la solubilité du polluant ainsi que la toxicité de celui-ci sur la cinétique de croissance des bactéries est prise en compte. Plusieurs résultats numériques sont présentés afin d’illustrer l’influence des différents paramètres hydrodynamiques sur la dissolution du NAPL. / Mathematical modeling of transport in porous media of organic chemical species in the presence of a bacterial population growing in the form of biofilms is an important area of research for environmental and industrial applications such as the treatment and the remediation of groundwater contaminated by organic pollutants. Biofilms, which are composed of bacteria and extracellular organic substances, grow on the pore-walls of the porous medium. Biodegradable organic solutes are converted into biomass or other organic compounds by the bacterial metabolism. This evolution of the microbial biomass phase within the porous medium is a complex process due mainly to growth (or decay) and spatial spreading of the cellular phase. Processes such as biofilm sloughing and attachment (or detachment) of cells from the fluid phase may also contribute to the biofilm volume variation. In this context, the aim of the thesis is to focus on the mechanisms that control the development of biofilms in porous media and its impact on the hydrodynamic properties of the porous matrix. The objective of this work is to model this pore-scale phenomenon of biofilm growth by integrating the various mechanisms which favor the bacterial development (bacterial proliferation, assimilation of nutrients to synthesize new cellular materials, attachment of cells) or, conversely, which are responsible for slowing down (e.g., detachment of cells, toxicity). An IB-LB model is developed for flow calculation and non-boundary conforming finite volume methods (volume of fluid and reconstruction methods) are used for reactive solute transport. A sophisticated cellular automaton model is developed to describe the spatial distribution of bacteria. Several numerical simulations have been performed on complex porous media and a quantitative diagram representing the transitions between the different biofilm growth patterns was proposed. Finally, the bioenhanced dissolution of NAPL in the presence of biofilms was simulated at the pore scale. The impact of biosurfactants and NAPL toxicity on bacterial growth has been investigated.

La radiographie X synchrotron ou avec une source microfocus a été appliquée pour étudier différents phénomènes dépendants du temps en relation avec la solidification directionnelle d'alliages Al-Cu. Les effets de la gravité ont été étudiés par comparaison d'expériences sur Terre et en microgravité dans le cadre du projet ESA-MAP XRMON. Les mouvements des fragments sont le sujet majeur de notre étude. Sur Terre, le mouvement des fragments est imposé par la poussée d'Archimède, avec une forte influence des effets de paroi et de la morphologie du fragment, alors qu'en microgravité, la force motrice pour le mouvement des fragments est l'écoulement du fluide interdendritique induit par la contraction du solide. L'effet d'un champ magnétique permanent sur la solidification des grains équiaxes dans un gradient de température a été également étudié. Nous avons montré qu'un couplage entre le gradient de température et le champ magnétique donne naissance à une force Thermo-électromagnétique qui agit sur les grains solides. Une bonne description a été obtenue en utilisant un modèle analytique pour une particule sphérique. Enfin, nous avons étudié l'évolution d'une zone pâteuse dans un gradient de température fixe. Trois régimes successifs ont été identifiés, suivant l'intensité de la diffusion du soluté dans la zone pâteuse et dans le bain fondu. L'analyse quantitative des radiographies par traitement d'image a clarifié le rôle de chaque phénomène de diffusion (TGZM, fermeture des canaux, murissement et diffusion du soluté dans le bain fondu). / X-ray radiography with synchrotron and microfocus sources was applied to investigate various time-dependent phenomena related to directional solidification of Al-Cu alloys. Gravity effects were investigated by a comparative study of ground and microgravity experiments in the framework of ESA-MAP XRMON project. Fragment motion was the major subject of our investigation. On Earth, fragmentation motion was imposed by buoyancy, with a strong dependency on wall influence and fragment morphology, whereas in microgravity conditions, the driving force for fragment motion is the interdendritic fluid flow induced by the solid shrinkage. The effect of a permanent magnetic field on the solidification of equiaxed grains in a temperature gradient was also studied. We have shown that a coupling between the temperature gradient and the magnetic field gives birth to a Thermo-Electro-Magnetic force that acts on the solid grains. A good description was obtained by using an analytical model for a spherical particle. Finally we studied the evolution of the mushy zone in a fixed temperature gradient. Three successive regimes were identified, depending on the relative magnitude of solute diffusion in the mushy zone and in the bulk liquid. Quantitative analysis of radiographs by image processing enlightened the role of each diffusion phenomena (TGZM, channel closure, coarsening and solute diffusion in the bulk liquid).