La qualité chimique des cours d'eau est mesurée par un réseau de stations constitué progressivement depuis une quarantaine d'années, qui fournit une base de données très riche, mais très hétérogène. Le système d'évaluation de la qualité de l'eau préconise actuellement de synthétiser les mesures par station par des indicateurs statistiques tels que la moyenne arithmétique et le quantile 90. Ces calculs reposent sur deux hypothèses implicites mais erronées: l'indépendance des mesures et la stationnarité des concentrations durant l'année. En effet, les concentrations en nutriments (nitrates, nitrites et orthophosphates) présentent généralement des variations saisonnières et les variogrammes expérimentaux mettent en évidence une corrélation temporelle. Dans une première partie, nous examinons les biais et les incertitudes des indicateurs actuels. Le krigeage prend en compte l'irrégularité de l'échantillonnage et les corrélations temporelles dans l'estimation et dans le calcul d'incertitude associé. Une simplification par segments d'influence est proposée. Le biais du quantile empirique est réduit par une simple interpolation linéaire. L'apport de ces méthodes est étudié théoriquement et par simulation sur le bassin Loire Bretagne qui présente des stratégies d'échantillonnage très différentes selon la station et l'année. Pour interpoler ces indicateurs le long des cours d'eau, la question se pose ensuite de modéliser leur corrélation spatiale. Or les modèles usuels de covariance, développés pour des espaces euclidiens, ne sont plus nécessairement valables sur une structure arborescente. Un modèle général de fonctions aléatoires le long d'un réseau hydrographique a donc été développé. En tout point du réseau, les cours d'eau sont considérés comme la combinaison de filets "élémentaires" définis par les chemins de l'ensemble des sources à l'exutoire. Les questions d'indépendance des fonctions aléatoires entre filets et de leur stationnarité sont discutées et l'inférence de ce modèle est examinée sur le bassin de la Moselle.

Dans cette thèse, effectuée en cotutelle avec l'Université d'Oklahoma City, nous avons étudié le transfert radiatif dans les enveloppes en expansion rapide des supernovae de type Ia (SNeIa) dans le cadre de la collaboration SupernovaeFactory.<br /><br />Ces étoiles qui explosent avec une luminosité comparable à celle d'une galaxie sont utilisées comme chandelles standard permettant d'étudier le comportement à grande échelle de l'univers. Nous avons utilisé le code de transfert radiatif PHOENIX développé par P. Hauschildt, F. Allard et E. Baron, pour simuler des spectres de SNeIa à différentes dates et luminosités afin d'étudier le processus de formation spectrale. Nous avons parallèlement élaboré un module de grille adaptative qui augmente sa robustesse de convergence. <br /><br />Nous avons montré que la formation des spectres de SNeIa n'était pas aussi localisée que dans le modèle photosphérique standard mais qu'elle mettait en relation des régions allant de 5000 km/s à 20000 km/s pour des époques proches du maximum de luminosité. Nous avons de plus développé des indicateurs spectraux permettant de mesurer la luminosité des SNeIa avec une précision égale à celle des méthodes basées sur l'analyse des courbes de lumière. Il devient ainsi possible de contraindre de façon indépendante l'évolution des SNeIa avec le redshift, ce qui place ce travail à l'interface entre l'étude des supernovae en tant qu'objets stellaires et leur utilisation en cosmologie.

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La migration est une étape clé de la chaîne de traitement des données de sismique réflexion. Intervenant après les phases de pré-traitement, et d'estimation du modèle de vitesse, elle peut servir de base à la caractérisation litho-sismique du réservoir. En effet lorsqu'elle est faîte avant sommation, en profondeur et en amplitude préservée, elle permet d'obtenir les réflectivités du sous-sol en fonction de l'angle d'incidence de l'onde sismique. Une inversion stratigraphique des paramètres élastiques du réservoir est alors possible permettant une caractérisation sismique plus détaillée du réservoir. Jusqu'à présent la migration en amplitude préservée était essentiellement basée sur des techniques de traçé de rayons, qui hélas présentent de réelles limitations pour les milieux géologiques complexes caractérisés par de fortes variations latérales de vitesse. L'utilisation d'approximations n one-way z paraxiales de l'équation d'onde permet de s'affranchir de ces limitations puisque, dans le cadre de la migration profondeur, elles fournissent des solutions précises et robustes pour l'ensemble de la bande de fréquences sismiques. En outre elles prennent en compte naturellement les trajectoires multiples induites par des modèles de vitesse complexes (en particulier dans le cas des structures salifères ). Longtemps pénalisées par leur coût numérique dans les applications 3D ces méthodes peuvent actuellement être appliquées sur données réelles. Elles portent le nom de migration par équation d'onde. Sur le plan de la préservation des amplitudes l'étude de la migration par équation d'onde n'a pas débouché jusqu'à présent sur une formulation aussi aboutie qu'avec l'utilisation de la théorie des raies. Dans ce domaine les efforts doivent porter tant sur la propagation numérique du champs d'onde, que sur la condition d'imagerie. Mon travail de thèse porte sur la définition et le développement numérique d'une méthode de migration par équation d'onde quantitative à 2D. Dans un premier temps, j'ai abordé l'étude de la préservation des amplitudes par l'approximation "one-way" paraxiale de l'équation des ondes. Je me suis familiarisé avec la technique en m'appuyant sur les travaux et les algorithmes développés à l'Institut Français du Pétrole. Dans un second temps, j'ai modifié le principe d'imagerie classique, de façon à constituer des collections migrées en fonction de l'angle de réflexion, et à retrouver l'information sur la dépendance angulaire de la réflectivité ou de la perturbation d'impédance. Cela devrait nous permettre de mieux caractériser le sous-sol dans le cas de milieux complexes ou les analyses classiques (AVO) ne donnent pas de résultats satisfaisants.

Le site de Soultz-sous-forêts (Alsace) est depuis 1987 le siège d'un programme européen de recherche pour la production d'électricité à grande échelle grâce à la géothermie, the European Hot Dry Rock Geothermal Research Programme. Aujourd'hui, trois puits allant à plus de 5km de profondeur dans le socle granitique ont été forés sur ce site. Une bouche géothermale, constituée du forage de réinjection au centre et de deux forages de production est établie, et l'exploitation de la chaleur via un échangeur thermique en surface permet d'envisager une production énergétique importante. Nos travaux s'orientent en premier lieu vers une modélisation interprétative plus que prédictive, à l'aide d'un outil numérique capable d'intégrer un couplage hydromécanique important. Il s'agit de pouvoir expliquer les mesures effectuées in situ grâce à la simulation du développement du réservoir géothermique et de la circulation induite par les injections. Le développement du réservoir est effectué par stimulation hydraulique, technique consistant à injecter de l'eau à très haute pression afin de dépasser le seuil de rupture en cisaillement des fractures. Ainsi la distribution des pressions en profondeur est-elle une donnée indispensable à la compréhension des phénomènes observés. Or, le contraste de densité entre l'eau douce et froide provenant de la surface et les saumures à 200°C présentes en profondeur se traduit par des observations de terrain très complexes qui pourraient être abordées en considérant ces deux fluides comme deux phases non miscibles. Le code de simulation d'écoulement en milieu fracturé FRACAS développé au Centre d'Informatique Géologique, prenant le parti d'une modélisation par le biais d'un réseau discret de fractures où l'écoulement dans la matrice rocheuse est négligé, a déjà utilisé pour la prévision du comportement thermo-mécanique du système hydraulique de Soultz-sous-forêts. Il a été décidé de faire évoluer ce code afin de rendre possible la gestion d'un écoulement multiphasique de fluides aux propriétés physiques et thermodynamiques différentes, dans le but de mettre en valeur d'éventuels phénomènes dus à la différence de densité de deux fluides. Seront présentés ici les fondements de la modélisation en milieu fracturé ainsi que le développement formel d'une méthode de calcul d'écoulements biphasiques applicable aux réseaux discrets de fractures. La pertinence des algorithmes décrits sera évaluée au travers de deux exemples de vérification du code (le test de Buckley-Leverett et le problème de l'aquifère côtier). La construction d'un modèle de réseau de fractures basé sur des observations de terrain effectuées à Soultz-sous-forêts sera ensuite précisement exposée, dans le but final de quantifier l'influence des phénomènes gravitaires sur le développement du réservoir proche des puits lors des campagnes de stimulation hydraulique, et de prédire le fonctionnement hydraulique du système global lors des essais de circulation à moyen terme.

Cette thèse porte sur le rôle des dynamiques d'occupation des terres et de la séquestration biologique du carbone dans les politiques de contrôle du CO2 atmosphérique. Elle part du constat que, de la Conférence de Rio en 1992 aux Accords de Marrakech en 2001, la constitution progressive d'une base de faits scientifiques concernant le cycle global du carbone, n'a pas empêché l'émergence de controverses diplomatiques sur la place des puits dans la convention climat. Elle remet en question la capacité du texte à engendrer des incitations tant au stockage dans les filières forestières qu'à la maîtrise des fronts de déforestation tropicale. Dans un second temps, elle quantifie, à travers le modèle OSCAR du cycle global du carbone et des changements d'usages des terres, la sensibilité de l'augmentation du CO2 atmosphérique aux trajectoires de changements d'usages des terres. Nous montrons que l'expansion des prairies et des terres agricoles conduit à amplifier les niveaux de CO2 atmosphérique en réponse aux émissions fossiles et liées à l'usage des terres. Cet effet requiert un effort supplémentaire pour respecter une contrainte de concentration, et ce d'autant plus que la pression sur les écosystèmes naturels est importante. Dans une troisième étape, elle pose la question du tempo optimal des réductions d'émissions fossiles et de l'inflexion des dynamiques d'usage des terres au sein de politiques climatiques ``mixtes''. Nous montrons que la valeur sociale du carbone séquestré est liée à l'anticipation des dommages climatiques futurs, donc à l'effort fossile qui déterminera la stabilisation du climat. Ces résultats, exportés numériquement dans un modèle de contrôle optimal, lient le tempo de la séquestration à l'évolution future des dommages climatiques. Si ceux-ci sont incertains, mais susceptibles d'être révélés à l'avenir, il est alors optimal de réserver une partie du potentiel, limité, de séquestration afin d'araser un pic de coût d'abattement qui pourrait apparaître en cas de ''surprise'' climatique amenant à respecter des plafonds de concentrations finalement plus stricts.

Dans un contexte de stockage de déchets radioactifs en domaine profond, l'impact que peut avoir la fracturation sur le fractionnement hydrogéologique du milieu argileux est primordial pour modéliser les transferts de fluide et la migration de radionucléides. Dans cet objectif, nous nous basons sur l'hypothèse que la géochimie de la calcite secondaire tapissant les fractures reflète les caractéristiques physico-chimiques du fluide à partir duquel elle cristallise. Une nouvelle méthodologie a donc été développée pour l'analyse par Spectrométrie de Masse à Ions Secondaire de Mg, Fe, Mn, Sr et des Terres Rares TR (La, Ce, Nd, Sm, Eu, Dy et Yb) dans la calcite. Cette approche est appliquée à des formations argilo-calcaires jurassiques en France (site de l'Est et région de Tournemire) et en Suisse (tunnel de Mt Terri et Suisse du nord). Plusieurs populations de calcites y sont mises en évidence, d'après les fractionnements en TR légères et moyennes et les teneurs en Mn et Fe. Des contrastes sont apparus notamment dans la calcite des fractures provenant du site de l'est, où les signatures géochimiques diffèrent en fonction de l'encaissant dans lequel la fracture s'est formée. La spéciation des TR dans des solutions en équilibre avec ces encaissants calcaire et argileux pour des pH rencontrés dans les domaines sédimentaires (7 à 8) est dominée par les complexes carbonatés, quel que soit le milieu, et les phosphates peuvent modifier la disponibilité des TR lourdes par rapport aux TR légères. Nous montrons ainsi que, dans les fractures dont l'encaissant est argileux, la calcite précipite à l'équilibre dans les fluides expulsés des argiles ou des minéraux accessoires formés lors de la diagenèse, alors que dans les fractures des encaissants calcaires, la calcite enregistre des processus d'interactions fluide/roche qui ont lieu au niveau de la source du fluide, lorsque la solution s'équilibre avec l'encaissant lors d'un épisode de fracturation plus tardif. Dans les failles formées dans les Argilites du Toarcien au sud du tunnel de Tournemire, trois générations successives de calcite apparaissent dans une fracture d'origine extensive, et une quatrième population s'observe dans une fracture d'origine compressive. Dans les veines et fissures développées dans les Argiles à Opalinus de l'Aalénien (Suisse), la comparaison avec les données isotopiques existantes pour ces veines avec des signatures en Mn, Fe et en TR indique que, dans le tunnel du Mt Terri, les cristaux de calcite ont cristallisé dans un fluide fortement influencé par l'encaissant, tandis que cette influence est moins prononcée dans les forages de Weiach et Riniken. En conclusion, l'analyse des éléments traces dans les carbonates de colmatage de fracture couplée à la modélisation géochimique apporte de nouveaux éléments à la compréhension des interactions fluides-roches associées aux circulations de fluides à différents stades de l'histoire d'un bassin sédimentaire.

Les eaux superficielles et souterraines doivent recouvrer une bonne qualité chimique et biologique avant 2015, d'après la Directive Cadre Européenne. Les Bonnes Pratiques Agricoles (BPA) établissent un compromis entre les risques de pollution et de perte de revenu. Le résultat minimal escompté est de respecter la norme de potabilité de 50 mgNO3.L-1 dans les eaux de captage et d'éviter les transferts de pollution de l'hydrosphère vers l'atmosphère. Cependant leur mise en oeuvre ne garantit pas d'atteindre ces objectifs ; cela nécessite des moyens de quantifier l'impact des pratiques agricoles effectives sur la pollution nitrique. Nous avons testé différentes méthodes de quantification, en nous appuyant sur les données issues d'une expérimentation partenariale de prévention de la pollution, menée sur le site de Bruyères (02). La question finalisée est "quel est l'impact des BPA, appliquées de façon systématique, à l'échelle d'un bassin"? La question de recherche est "peut-on modéliser la pollution nitrique, en situation agricole, à l'échelle du bassin hydrologique"? Le site d'étude est un plateau de 187 ha qui alimente une nappe d'eau souterraine, sise dans le Lutétien. Cette nappe alimente 5 sources principales qui connaissent une pollution croissante depuis 1970. Les 21 parcelles cultivées du plateau ont fait l'objet d'une mise en oeuvre systématique des BPA, par les 3 agriculteurs, depuis 1990. Les pratiques agricoles et l'hydrogéologie du site ont été caractérisées. Les débits des sources répondent aux pluies efficaces dans un délai d'une semaine. Le temps moyen de séjour de la molécule de Tritium dans l'aquifère est de 25 ans, à cause de l'épaisseur de la zone non saturée. Compte tenu de ce délai, un niveau intermédiaire d'évaluation est nécessaire : les pertes sous la zone racinaire. Les méthodes de quantification diffèrent selon leur degré de dépendance aux données expérimentales : i) le modèle de calcul LIXIM, associé avec toutes les données observées; ii) un modèle stochastique de réponse des cultures à la dose d'azote, initialisé annuellement; iii) le modèle fonctionnel dynamique STICS, qui peut simuler les pertes du système sol- plante- atmosphère de façon continue pendant plusieurs années. Les prédictions des variables d'intérêt économique et environnemental sont confrontées, aux données observées, aux échelles de la station et du bassin. Les impacts environnementaux et économiques, de différents scénarios de prévention de la pollution, sont simulés. Les reliquats d'azote minéral à la récolte et en entrée d'hiver sont proches et stables dans le temps avec respectivement 41 et 57 kgN.ha-1. L'intégration des flux calculés avec LIXIM, à l'échelle de la rotation culturale, conduit à lisser le facteur culture et à faire du type de sol le principal déterminant de la concentration. La teneur en nitrate moyenne pondérée, de l'eau de percolation, est de 46 mgNO3.L-1 pour la zone cultivée et de 37 mgNO3.L-1 pour l'ensemble du bassin. Ce bon résultat est confirmé qualitativement par la baisse constatée des teneurs de plusieurs captages depuis l'an 2000. Le temps de réponse de l'aquifère serait égal à la moitié de son temps de renouvellement. L'abattement de la teneur en nitrate de l'eau de percolation permis par les BPA, relativement à un scénario conventionnel, est compris entre 27 et 39 %, suivant la méthode de simulation. Le coût des BPA est de 0.07

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Thesis (M. Phil.)--University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (leaves 80-82). Also available in print.