Au cours du temps, les cavités souterraines sont soumises à un vieillissement et plusieurs types de dégradation peuvent apparaitre. Les anciennes exploitations souterraines, parfois constituées d’un ou plusieurs niveaux, n’ont, sans doute, pas été conçues pour être stables à long terme. Elles ont été réalisées à une époque où n'existaient pas d'enjeux en surface, de zones de travaux, ce qui permettait d’éviter de se préoccuper des mouvements de sol induits. Elles ont pu quelquefois être totalement ou partiellement remblayées, mais pas de manière systématique. L’effondrement d'une cavité souterraine engendre la déconsolidation des niveaux supérieurs des terrains de recouvrement. Ces mécanismes peuvent provoquer en surface deux types de désordres : un affaissement ou un fontis. L'affaissement et le fontis peuvent provoquer des graves dommages aux structures et aux infrastructures en surface mais aussi mettre en péril la sécurité des populations. Les travaux de cette thèse s’articulent autour de l’étude du foisonnement, du fontis et de sa propagation dans les terrains de recouvrement.Les objectifs de cette thèse sont doubles : tout d’abord il s’agit d’étudier le foisonnement de la roche lors d’un effondrement de toit de carrières souterraines ; ensuite il s’agit de modéliser la propagation du fontis dans les terrains de recouvrement et ainsi hiérarchiser les paramètres associés à ce phénomène.La première partie de cette thèse repose sur une étude bibliographique qui récapitule les méthodes d’exploitation, méthodes d’analyse de stabilité de carrières souterraines, méthodes de prévision de la hauteur d’effondrement et estimation de foisonnement. A l’issue de cette synthèse bibliographique l’étude s’est focalisée sur les carrières souterraines à faible profondeur exploitées par chambres et piliers. Ainsi, la modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) a été choisie pour analyser l’instabilité des toits de carrières souterraines.La seconde partie s’intéresse au développement d’un modèle numérique qui a pour objectifs : d’une part, le développement d’un Programme de Discrétisation des Massifs Rocheux (PDMR) qui constitue le préprocesseur du logiciel STTAR3D et le développement d’un code permettant le calcul du coefficient de foisonnement des débris de l’effondrement. D’autre part, l’implémentation des lois de comportement sur STTAR3D.La troisième partie consiste à déterminer, d’une part les caractéristiques physico-mécaniques d’échantillons prélevés dans la carrière de la Brasserie (Paris-France), qui a été choisie pour une tester le modèle développé et d’autre part, les deux paramètres de la loi de comportement utilisée pour modéliser les contacts à savoir  et µ.Enfin, la dernière partie de ce travail est constituée des simulations numériques pour lesquelles les paramètres de la loi de comportement mesuré expérimentalement ont été introduits dans STTAR3D. Dans la première étude numérique menée, on s’intéresse à l’effet de la hauteur de chute, du rayon de l’ouverture initiale du fontis et du degré de fracturation sur le foisonnement des décombres, ainsi qu’à l’effet de la variation du foisonnement sur la hauteur de l’effondrement et sur l’affaissement. Dans un second temps, on réalise un modèle de la carrière de la Brasserie dont on calcule le comportement par simulation numérique afin d’obtenir l’affaissement en surface et la hauteur de l’effondrement qui sont comparés aux observations in-situ / Over time, the underground cavities are subjected to aging and several types of degradation can occur. The old underground cavities have probably not been designed to be stable over the long term. They have sometimes been totally or partially backfilled, but not in a systematic way. The collapse of a mine causes deconsolidation of the upper levels of the overburden. These mechanisms can cause two types of disorders on the surface: subsidence or sinkhole. Subsidence and sinkhole can cause severe damage to structures and infrastructures in surface, but also jeopardize the safety of the population.The work of this thesis revolves around the study of rock's bulking, sinkhole and its spread in the overburden. The aims of this thesis are twofold: firstly, to study the bulking of rock during the roofs mine collapse; Secondly, modeling the spread of the sinkhole in the overburden and thus to prioritize the parameters associated with this phenomenon.The first part of this thesis is a bibliographical study which summarizes the methods of exploitation, methods of analysis of stability of underground quarries, methods of prediction of the height of collapse and estimation of the bulking factor. At the end of this bibliographic synthesis, the study focused on shallow underground quarries operated by rooms and pillars. Thus, numerical modeling using the discrete element method (MED) was chosen to analyze the instability of roofs of underground quarries.The second part focuses on the development of a numerical model with the following objectives: on the one hand, the development of a Rock Mass Discretization Program (RMDP) which constitutes the preprocessor of the STTAR3D software and the development of a Code allowing calculation of the bulking factor of the rubble of collapse. On the other hand, implementation of the behavior laws on STTAR3D.The third part consists of determining, on the one hand, the physicals and mechanicals characteristics of samples taken from the quarry of the Brasserie (Paris-France), which was chosen to test the model developed. On the other hand, determining of parameters of the behavior law used for modeling the contacts, namely “” and “μ”.Finally, the last part of this work is made of numerical simulations for which the parameters of the behavior law measured experimentally have been introduced in STTAR3D. In the first numerical study, we investigate the effect of fall height, the radius of the initial opening of the sinkhole and the fracturing degree on the bulking of the rubble, as well as the effect of variation of the bulking on the collapse height and on the subsidence. In a second step, a model of the Brasserie’s mine is realized, the behavior of which is studied by numerical simulation in order to obtain the subsidence on the surface and the collapse height, which are compared with the in-situ observations

La vallée de la Punaru’u est le second bassin versant, par sa taille, de la Polynésie française. Abritant la plusgrande zone industrielle du Pays, la vallée de la Punaru’u est emblématique des impacts de l’anthropisation sur le milieu naturel. L’exploitation de sa ressource en eau est au centre des préoccupations des industriels et des collectivités locales. L’objectif du projet était de mieux définir et de mieux comprendre les transferts d’eau dans le sol sous la zone industrielle et d’estimer l’impact des activités humaines sur la ressource en eau. En s’appuyant sur la définition des caractéristiques hydrodynamiques du sol une première partie du travail s’est concentrée à faire le lien avec les propriétés texturales et structurales du sol. Cette approche physique et analytique a permis d’ouvrir la voie à un protocole d’acquisition de données novateur basé sur les propriétés texturales du sol. Ce résultat a l’avantage de résoudre les problèmes d’échelle et de s’affranchir d’une dépendance aux conditions initiales et limites qui habituellement handicape l’interprétation des mesures des paramètres hydrodynamiques du sol.Une seconde phase de travail s’est concentrée sur l’analyse statistique des données hydrologiques. Il en résulte un schéma rénové des dynamiques hydrologiques et hydrogéologiques dans la basse vallée de la Punaru’u. D’un point de vue quantitatif, la ressource en eau s’épuise beaucoup plus en surface et dans les premiers mètres du sol que dans les aquifères plus profonds.L’approche analytique et l’interprétation hydrogéologique ont permis finalement de paramétrer une modélisation du sous-sol de la zone industrielle basée sur le solver ModFlow. / Punaru'u’s valley is the second watershed by size of French Polynesia. The valley hosts the most important industrial area of the country. The area is becoming an emblematic area because of urbanization impacts on natural environment. Exploitation of water resources is a central preoccupation.The aim of the present study is to analyze and to understand the surface and soil water transfer processes allowing for quantifying its vulnerability to the impact of human activities. Using a theoretical methodology especially developed for the characterization of hydrodynamic soil characteristics, the first part of this work is focused on the relation between textural and structural soil properties. Physical and analytical concepts are used to find a way to open a new data provision strategy based on the knowledge of measurable textural soil properties. The approach provides an original solution for tackling the important scale problem that affects most integrated modeling schemes used to describe hydrological flow processes at watershed scale. Second part of this work is focused on the statistical analysis of the hydrological field data. The results give a new insight in the hydrological and hydrogeological flow processes of the lower part of the Punaru'u valley. A quantitative interpretation shows how soil water resources are affect by human activities. The three alluvial aquifers situated in the first 40 m from the soil surface are all connected. The analytical approach and the hydrogeological interpretation allow for setting up a modeling scheme based on the “ModFlow” solver; the model is able to reproduce the hydrological flow processes of the lower part of thePunaru’u valley.

La constante de temps du débit de base (τ) représente le temps moyen pour que l'eau souterraine arrive à la rivière depuis la zone de recharge dans un bassin donné. C’est un élément clé pour simuler le débit de base dans les modèles simples des eaux souterraines, tels qu’ORCHIDEE. τ a été estimée à l’échelle globale à partir d’une solution de l’équation de Boussinesq pour les aquifères libres en pente. τ dépend de la porosité efficace, de la transmissivité, de la pente de l'aquifère et de la densité de drainage (δ). Calculées à partir de bases de données globales, les valeurs de τ sont surestimées par rapport à celles obtenues par analyse des courbes de récession. Une analyse de sensibilité a montré que la transmissivité et δ sont les principales sources d’incertitude de τ. L’extraction d’un nouveau réseau de drainage, qui dépend de la lithologie, du climat, de la pente et des δ observées, a permis d’obtenir des δ conformes aux valeurs observées aux échelles régionales et à la variabilité spatiale. L’utilisation de ces nouvelles δ et la combinaison de deux jeux de données de conductivité hydraulique pour le sol et l’aquifère a réduit τ de deux ordres de grandeur, mais les valeurs calculées restent surestimées. L’utilisation de τ dans le modèle de surface ORCHIDEE a montré une forte sensibilité du débit simulé à l’augmentation de τ, qui dégrade les débits simulés par rapport aux observations. Cette méthodologie nécessite des valeurs plus adaptées de transmissivité et porosité efficace par rapport aux jeux de données globaux actuellement disponibles pour obtenir des valeurs de τ plus proches de celles attendues et qui permettent de reproduire les débits observés. / The base flow time constant (τ) represents the mean amount of time the groundwater takes to reach the stream from the recharge zone in a given watershed. τ is a key element to simulate base flow in simple groundwater models as ORCHIDEE. τ was estimated at global scale based on a solution of the Boussinesq equation for unconfined sloping aquifers. τ depends on the effective porosity, transmissivity, aquifer slope, and drainage density (δ). When estimated from global available datasets, τ results are overestimated when compared to recession analysis results. A sensitivity analysis showed that transmissivity and δ are the main uncertainty sources of τ. A river network extraction based on lithology, climate, slope, and observed δ allowed to obtain δ values close to reference data and spatially variable at regional scale. The use of a new δ and the combination of two hydraulic conductivity datasets of soil and aquifer reduced τ of two orders of magnitude, however the values remained overestimated. The use of τ in ORCHIDEE land surface model showed a strong sensitivity of the river discharge buffer effect to τ, which worsen simulated river discharge when compared to observations. This methodology needs more adequate porosity and transmissivity values when compared to global available datasets that will result in close results to observed river discharge.

La plaine du Souss est délimitée au nord par le Haut-Atlas, au sud par l’Anti-Atlas et à l’estpar le massif cristallin de Siroua. Les principales formations géologiques sont des marnocalcaireset conglomérats assez perméables, les calcaires du Turonien qui leur sont sousjacentset le lit fossile de l’oued Souss composé d’alluvions sablo-graveleuses trèsperméables.La nappe du Souss est la plus importante du sud du Maroc, elle est très exploitée par unsecteur agricole exportateur, la surexploitation de la nappe s’est traduite par une baissecontinue des niveaux. Depuis 1970, les prélèvements dépassent de loin les ressourcesrenouvelables de la nappe (déficit : 185 Mm3 en 1976, 358 Mm3 en 1998, 228 Mm3 en 2003).Le barrage d’Aoulouz est principalement destiné à la recharge artificielle de la nappe par deslâchers d’eaux stockées pendant les périodes pluvieuses. En zone semi-aride, une estimationprécise de la recharge est souvent délicate, la variabilité spatio-temporelle de la recharge étantgénéralement forte et les processus variés.Ce travail a permis de mieux caractériser l’impact de la recharge sur la nappe et d’évaluer letemps de séjour et le renouvellement des eaux souterraines.L’évolution de la piézométrie à la suite des lâchers d’eau à partir du barrage Aoulouz montredes remontées locales du niveau piézométrique sur la haute plaine, environ 85% des eauxlâchées à partir du barrage d’Aoulouz s’infiltrent 80 km entre Aoulouz et Taroudant.Toutefois, le niveau général de la nappe continue de baisser.Le faciès géochimique est principalement bicarbonaté calcique (dissolution des carbonates), etpar endroits sulfaté calcique (évaporites au pied du Haut-Atlas). Les eaux de surface ont unfaciès bicarbonaté calcique et magnésien acquis lors de leur circulation sur des calcaires et desdolomies.[...] / The Souss valley is bounded to the North by the High Atlas, to the South by the Anti-Atlasand to the East by the Siroua crystalline massif. The main geological formations arecalcareous marls of the Plio-Quaternary, the Turonian limestones that underlie them, and thefossil bed of River Souss formed by sands, sandstones and gravels from high permeabilityalluvium.The Souss aquifer is the most significant aquifer in southern Morocco, highly exploited by anagricultural exporting activity. Groundwater overexploitation induced a decreases ofpiezometric heads. Since 1970, water demand far exceeds renewable groundwater resources(balance defecit: 185 Mm3 in 1976, 358 Mm3 in 1998, and 228 Mm3 in 2003).The mean role of the Aoulouz dam is the artificial recharge of the Souss plain by release ofwater stored during rainy periods in the plain.In semi-arid areas, estimating recharge is often difficult, the spatial and temporal variabilitiesof recharge are generally high, and processes are varied.This work has enabled to characterize the impact of artificial recharge and to estimate therenewal of water in the aquifer.Water releases from Aoulouz dam has permitted an increase of the piezometric level on thehigh plain, about 85% of the water released are unfiltered in the first 80 Km between Aoulouzand Taroudant cities. However, the general water level decline goes on.The geochemical facies is mainly calcium bicarbonate type (dissolution of limestone), andlocally calcium sulphate type (evaporites of the High Atlas). Surface waters are a calcium andmagnesium bicarbonate types, acquired during their flow through limestones and dolomitesoutcrops.[...]

Le bassin endoréique du lac Tchad (BLT) couvre 2,5 millions de km2 au centre de la zone sahélienne. Le lac Tchad agit comme un amplificateur des variations climatiques sur le BLT tandis que le système aquifère multicouche contient d'importantes ressources en eau. La réponse hydro(géo)logique du BLT aux variations du climat est étudiée par un couplage entre traceurs géochimiques et modélisation. Un bilan hydrologique, chimique et isotopique permet de distinguer les flux d'évaporation, de transpiration et d'infiltration à la surface du lac. La transpiration, jusqu'alors négligée, contribue à environ 15% de l'ET. La dynamique du chlore dans le BLT suggère un temps de transfert dans le bassin amont autour de 10 ans, un renouvellement rapide des eaux du lac et une infiltration de 200 mm an-1. Le couplage d'un modèle pluie-débit (GR2M) et du modèle de lac, forcé par des simulations paléoclimatiques de GCM sur le dernier millénaire, montre la difficulté de la comparaison modèle-données dans les reconstitutions paléohydrologiques. La cartographie de la recharge moderne de l'aquifère quaternaire est obtenue par l'interprétation des teneurs en 36Cl thermonucléaire dans les eaux. Une recharge récente, proche des eaux de surface, est mise en évidence dans 60% de l'aquifère quaternaire et la reprise évaporatoire actuelle en bord du lac Tchad est évaluée entre 85 et 98%. Les eaux géochimiquement contrastées des dépressions piézométriques ne signent pas de recharge actuelle. La composition géochimique propre aux eaux du CT suggère un temps de résidence supérieur à 300 000 ans. Ces données originales pourraient servir à mieux contraindre la paléorecharge en zone sahélienne. / Lake Chad Basin (LCB) is a 2.5 billion km2 closed drainage basin, in the center of Africa. Lake Chad enhances the climatic variations over the LCB while the multi-layers aquifer system contains large water resources. The hydro(geo)logical response of the LCB to climatic variability is studied by combining geochemical and modeling approaches. The lake Chad levels modeling, calibrated from hydrological, chemical and isotopic data, allows to disentangle evaporation from transpiration and from infiltration. Transpiration, neglected in previous studies, accounts for 15% of the total ET. From the chlorine dynamic in the LCB, a transit time of 10 yr in the upper basin, a short renewal rate of lake waters and their infiltration toward the aquifer are estimated. GCM paleoclimatic simulations over the last millennium were introduced into a rainfall-runoff model (GR2M) and the lake level model. It shows the difficulty to reconcile lake level records from paleohydrological modeling. The detection of thermonuclear 36Cl together with stable isotopic composition of groundwaters allow to draw the present-day recharge distribution in the Quaternary aquifer. Present-day recharge occurs close to surface waters in 60% of the groundwater sampled and an evaporation between 85 and 98% of waters in the surrounding of Lake Chad is estimated. Groundwaters with a contrasted geochemical signature are stored in the center of the piezometric depressions, suggesting no present-day recharge. The deep waters of the CT, with water ages of 300 000 yr, show geochemical patterns indicative of an old and humid recharge period. These original data give new insights into paleorecharge in the Sahelian band.

Les apports d’eaux souterraines (Submarine Groundwater Discharge : SGD) peuvent constituer des apports considérables d'eau et de nutriments ou de contaminants en zone côtière. Le suivi des radio-éléments (radon, radium) dans ces zones permet de tracer les apports de SGD et leurs bilans de masse permettent de quantifier leurs flux. Cette méthode est utilisée depuis des années, mais les termes des bilans aux interfaces restent difficiles à appréhender. L'objectif de cette thèse est d'apporter des précisions sur ces termes afin de permettre une meilleure quantification des flux de SGD. Pour l'interface air-eau, les flux de dégazage du radon vers l'atmosphère ont été estimés pour différentes conditions de vent sur l’étang de Berre. Un dégazage permanent, même sans vent, a été mis en évidence. Pour l'interface sédiment-eau, nous décrivons une méthode de calcul et d’évaluation du flux diffusif du radon et proposons une nouvelle approche pour estimer celui du radium. Dans la lagune de Mar Menor, les flux de SGD estimés sont 5 à 200 fois plus élevés que les apports d'eau par les rivières et sont majoritairement causés par de la recirculation d’eau à travers les sédiments. Pour la première fois les suivis de radio-éléments ont été combinés à un modèle hydrodynamique, ce qui a permis de localiser précisément les SGD. L'étude du système karstique de la source de la calanque de Port-Miou a mis en évidence un système bicouche de la colonne d'eau. La combinaison des bilans en radio-éléments, d'eau et de sel nous a permis d'estimer un débit de la source très proche de celui mesuré par différence de pression, attestant ainsi de la fiabilité de cette méthode pour les systèmes karstiques. / Submarine Groundwater Discharges (SGD) may represent important inputs of water, nutrients as well as contaminants to the coastal zone. Monitoring radionuclides (radon, radium) in those areas allows to trace SGD inputs while their fluxes may be quantified through their mass balances. This method has been used for many years, even though the terms from the mass balance at these interfaces remain difficult to manage. The objective of this thesis is to develop methods to better describe and evaluate these terms, in order to get a better quantification of SGD fluxes. For the air-water interface, the radon atmospheric fluxes have been estimated for different wind conditions on the Berre lagoon. A permanent flux, even without wind, has been highlighted. For the sediment-water interface, new methods are proposed here in order to calculate and evaluate the radon diffusive flux, as well as a new approach for estimating the radium diffusive flux. In the Mar Menor, the estimated SGD fluxes are 5 to 200 times higher than water river inputs and are predominantly caused by lagoon water recirculation through sediments forced by tidal pumping. For the first time, the monitoring of radionuclides in this lagoon was combined to a hydrodynamic model, allowing to locate precisely the SGD inputs. The study of the karstic spring of the Port-Miou calanque shows a two-layer system in the water column. The combination of radionuclides, water and salt mass balances leads to calculate a spring flux similar to the one measured by pressure gradient, which confirms the reliability of this method for karstic systems.

Un géoradar (GPR) effectue une détection non destructive d'objets enfouis, ou l'imagerie du sous-sol par transmission d'ondes électromagnétiques et la détection et l'analyse des réflexions. Le principal défi de GPR est la réduction de la portée de détection en raison de l'atténuation du signal grave causée par la conductivité du sous-sol qui devient plus sévère dans les hautes fréquences. Afin d'augmenter la portée de détection, GPR utilise des fréquences plus basses que les radars non-GPR et nécessite donc de plus grandes antennes qui peuvent limiter la portabilité du système. La plupart des systèmes utilisent des radars GPR à impulsion mais le FMCW (onde continue à fréquence modulée) radar peut présenter certains avantages tels que la versatilité de la fréquence, une maintenance réduite du système et une meilleure résolution de gamme. Les fréquences inférieures à 1 GHz ont d'abord été rares en radars de courte portée FMCW mais trouvent maintenant leur chemin de retour dans des systèmes comme ultra-large bande (UWB) pénétrant dans le sol des radars pour la détection des mines et ainsi que d'autres applications. Lorsque les mesures sont effectuées sur des véhicules, de grands appareils d'antenne ne sont pas un problème. La portabilité, cependant, peut devenir un problème dans les études géophysiques ou des travaux d'urgence dans laquelle on peut avoir besoin de transporter le système par des endroits accidentés, inexplorés et / ou dangereux sans accès aux véhicules. Des environnements inaccessibles peuvent nécessiter la manœuvrabilité à travers d’obstacles (montagnes, grottes, lacs, zones rocheuses). D’ailleurs, l’installation rapide du système est critique dans des conditions difficiles telles que les températures extrêmes, où le temps d'exposition est coûteux et le temps de mesure limité. Une solution pour améliorer la portabilité et la capacité de déploiement d'un système GPR est de réaliser un système complet sur un substrat qui est enroulable afin de permettre une transportation facile. L’électronique sur substrat flexible a déjà été utilisée dans des applications militaires et des sports en plein air. Actuellement, il y a quelques technologies disponibles pour réaliser l'électronique flexible qui ont été un thème majeur en recherche, chacune avec différents niveaux d'intégration. La technologie d'impression à jet d'encre offre une méthode efficace, polyvalente et rentable pour la réalisation de dispositifs flexibles. Dans ce travail, un système radar FMCW classique a été conçu et un travail présenté, pour la première fois, d’application de la technologie d'impression à jet d'encre sur un système de radar. Le système est appelé un système de radar monolithique portable dans lequel tous les agents actifs, passifs et l'antenne sont destinés à partager le même substrat enroulable continu. Ainsi, une intégration hybride est utilisée pour étudier la fiabilité et la performance du système complet enroulé autour d’un rayon serré. Plusieurs défis de conception d'un grand système ont été surmontés qui donneront un aperçu de nouveaux modèles au fur et à mesure que le niveau d'intégration à l'aide de la technologie d'impression à jet d'encre continue d’augmenter. / Flexible monolithic ultra-portable ground penetrating radar using inkjet printing technology A Ground Penetrating Radar (GPR) performs nondestructive detection of buried objects, or subsurface imaging by transmitting electromagnetic waves and detecting and analyzing the reflections. The main challenge of GPR is the reduction in detection range due to the severe signal attenuation that is caused by subsurface conductivity that becomes more severe at high frequencies. In order to increase the detection range, GPR uses lower frequencies than non-GPR radars and thus requires larger antennas that may limit system portability. Most GPR systems use impulse radars however the FMCW (frequency modulated continuous wave) radar can provide some advantages such as frequency versatility, reduced system maintenance and improved range resolution. Frequencies below 1 GHz were initially uncommon in short-range FMCW radars but are now finding their way back in systems such as ultra-wideband (UWB) ground penetrating radars for mine detection and as well as other applications. When measurements are performed on vehicles, large antenna fixtures are not a problem. Portability, however, can become an issue in geophysical studies or emergency work in which one may need to transport the system through rugged, unexplored and/or hazardous locations without vehicle access and perform measurements. Inaccessible environments may require climbing up and down, squeezing through, jumping over, crawling under, maneuvering through or swimming through obstacles (mountains, caves, lakes, rocky areas). In addition to transportation, rapid system setup is critical in difficult conditions such as freezing temperatures or extreme heat where exposure time is costly and limits measurement time. One solution to enhance the portability and deployability of a GPR system for wide area rugged measurements is to realize a complete system on a continuous substrate that is rollable around a reasonably small radius and storable in a scroll or poster-like fashion for easy backpack transportation. Electronics that can flex and bend have already used in military applications and for outdoor sporting gear. Currently, there are a few types of technology available to realize flexible electronics that have been a major topic of research, each with different levels of integration. Inkjet printing technology offers a cost effective, versatile and efficient method for realizing flexible devices. In this work a classical FMCW radar system is designed and an effort is made, for the first time, to apply inkjet printing technology to a radar system. The system is referred to as a portable monolithic radar system in which all actives, passives and antenna are meant to share the same continuous rollable substrate. In doing this, a medium level of integration is used to investigate limits of system complexity, resolution and ultra miniaturization for tight rollability. Various design challenges of a large system are overcome that will hopefully give insight to new designs as the integration level using inkjet printing technology increases.

Ce travail contribue à l'acquisition des connaissances sur les mécanismes et les facteurs contrôlant le transfert des éléments traces dans le système sol-nappes d'eaux souterraines. Le nombre de plus en plus important de sols contaminés par les éléments traces potentiellement toxiques suite aux activités industries a reçu beaucoup d'attention au cours des deux dernières décennies. Les polluants accumulés dans ces sols peuvent alors être transférés dans différents compartiments de l'environnement en fonction de leur origine, leur spéciation et les conditions physico-chimiques et biologiques du milieu. Ainsi, une des problématiques est la pollution des nappes d'eau souterraine par ces éléments traces. Les flux massiques d'éléments traces dans les sols vers les nappes d'eau souterraines sont un paramètre d'entrée important pour prévoir le devenir des pollutions des aquifères et donc à évaluer le potentiel de la contamination des ressources en eau potable. L’objectif de cette thèse a été de proposer une méthode de mesure des flux en laboratoire qui permette de simuler au mieux les conditions naturelles des transferts des éléments traces vers les nappes. Pour cela, nous avons mis au point une colonne de laboratoire non-saturée. Cette colonne a été testée dans différentes conditions de lixiviation, comparée aux méthodes de lixiviations normées et testée en condition d’immobilisation des éléments traces lors de l’apport d’amendements. Dans un premier temps, la colonne de laboratoire permet de diminuer l’erreur sur l’estimation des flux. Elle permet des mettre en évidence des phénomènes de sorption, désorption et complexation des éléments traces sur les substrats, contrôlant ainsi les transferts verticaux.Dans un deuxième temps nous avons évaluer l’effet d’amendements minéraux sur la mobilité des éléments traces sur deux sols contaminés par des extractions chimiques. Nous avons ensuite étudié la lixiviation de ces éléments suite à l’apport d’amendements: de l’hydroxyapatite et de la Grenaille d’acier dans ces deux sols en utilisant les colonnes de sol développés précédemment. L'étude de la localisation des éléments traces sur les minéraux nouvellement formés suite à l'apport de ces amendements minéraux et leur interaction avec les constituants minéraux d'origine des sols (microscopie couplé à des spectromètres de fluorescence X) nous a permis de comprendre et de déterminer les réactions mis en jeu au cours de la lixiviation de ces éléments. Ainsi, l’apport d’hydroxyapatite (HA) et de Grenaille d’acier (GA) ont permis de diminuer significativement les concentrations en Cd, Zn dans les lixiviats. En revanche, l’apport de HA et GA aux sols augmente significativement la libération de As (dans le cas de HA) et Pb suite a l’apport de GA et HA. Les phases minérales porteuses de ces éléments traces, ont pu être caractériser et ainsi les mécanismes responsables de l’immobilisation ou du relargage ont pu être identifiés. / This work contributes to the knowledge of the mechanisms and factors controlling the transfer of trace elements, particularly in the soil- groundwater pathway. Extensive soil contamination with potentially toxic traces elements from various industries has in many industrialized countries received significant attention over the last two decades. Mass fluxes of trace elements in soils to groundwater are important input parameter for predicting the fate of pollution of aquifers and thus to assess the potential for contamination of drinking water resources. The objective of this study was to propose a method for measuring the fluxes in laboratory to simulate the natural conditions. For this, we have developed an unsaturated soil column. This column was then tested in various leaching conditions (compared to standardized leaching methods and tested under conditions of immobilization of trace elements). At first, the laboratory column reduces the error in the estimation of flux. And allows to highlight sorption, desorption and complexation of trace elements on the substrates. In a second step we evaluate the effect of mineral amendments on the mobility of trace elements in two contaminated soils (extraction), the study their location on the newly formed minerals (microscopy coupled with X-ray fluorescence spectrometers) and finally the leaching of these. The addition of hydroxyapatite (HA) and Steel Shot (GA) have significantly reduced the concentrations of Cd, Zn and As (in the case of the contribution of GA). In contrast, the addition of HA and GA in soils significantly increases the release of As (in the case of HA) and Pb following the addition of GA and HA). Mineral phases carrying these trace elements have been well characterized and the mechanisms responsible for the retention or release have been identified.

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.

Cette étude vise à définir les caractéristiques des mouvements de terrain (ainsi que leurs mécanismes de déclenchement) rencontrés sur un versant où seuls des terrains houillers apparaissent (Houiller briançonnais de la rive droite de l'Arc en Maurienne). L'essentiel de l'étude est consitué par une analyse des conditions géologiques (lithologie, structure, fracturation, hydrogéologie) pouvant influer sur la stabilité des versants, ainsi qu'une description détaillée, à l'aide d'exemples, des différents mécanismes de déclenchement et de progression des mouvement!' gravitaires anciens. Il est montré qu'en raison de la densité de fracturation du massif, ce sont les ruptures de type circulaire qui prédominent. Toutes les données recueillies sur le terrain sont présentées soit à l'aide de cartes monographiques (par glissement), soit à l'aide de cartes analytiques générales: cartes des pentes, carte du réseau hydrographique et des sources, carte litholo: gique et structurale, carte des instabilités. Une carte synthétique essaie de rendre compte du degré de stabi lité des versants étudiés, préparant ainsi le dessin de cartes de type " risques naturels " .