Une méthodologie multidisciplinaire de caractérisation des aquifères fracturés est élaborée en s'appuyant sur deux exemples d'aquifères : un milieu cristallin à Plancoët et un milieu carbonaté à Quézac. Elle consiste d'abord à analyser le contexte géologique et construire un modèle géométrique de l'aquifère à différentes échelles sur la base d'analyses d'images, de cartographie de terrain et de prospections géophysiques. Les modèles géométriques effectués sur les deux sites tiennent compte des particularités de chacun. Une analyse des caractéristiques hydrologiques, hydrogéologiques et géochimiques de l'aquifère est ensuite réalisée à Plancoët, ce qui permet enfin de construire un modèle hydrogéologique qui confirme la structure géologique et conduit à proposer un emplacement de forage. La pluridisciplinarité des méthodes utilisées dans ce travail permet d'avoir une compréhension assez complète des aquifères étudiés.

Dans la région de Dimbokro-Bongouanou (Centre Est de la Côte d'Ivoire), l'alimentation en eau des populations se fait essentiellement au moyen de puits et forages. Ceux-ci ont été implantés dans les aquifères du socle au cours des différentes campagnes d'hydraulique villageoise mises en place dans ce secteur. L'analyse du taux de réussite et de la productivité de ces forages montre que leur implantation n'a pas toujours été optimale. Afin d'optimiser l'implantation de nouveaux forages, il semble donc nécessaire et primordial de caractériser l'hydrodynamique du socle fracturé. A cette fin, la présente étude procède d'abord à une caractérisation géologique puis hydrogéologique de la région de Dimbokro-Bongouanou. Ensuite, sont élaborés des modèles conceptuels géologiques et hydrogéologiques, qui décrivent la structure de l'aquifère et précisent les propriétés hydrodynamiques de ses différentes couches composites. Ces modèles géologiques et hydrogéologiques permettent de simuler numériquement l'écoulement régional. La caractérisation géologique de la région de Dimbokro-Bongouanou est basée sur une description des différentes formations géologiques de la région ; des hypothèses sur leur mise en place et les cycles d'érosion et d'altération qu'elles ont subis ; et une cartographie des discontinuités régionales par photo-interprétation d'image Radar rehaussée par la technique de filtrages adaptatifs. Les discontinuités identifiées sur l'image rehaussée sont validées à partir d'informations géologiques (données de fracturation mesurées à l'affleurement et données de fracturation relevées sur carte géologique).La caractérisation hydrogéologique de la région de Dimbokro-Bongouanou est basée sur la description des aquifères de la région et l'identification du rôle des discontinuités régionales dans les écoulements souterrains. La technique proposée à cet effet consiste à analyser les corrélations entre le débit des forages et leur distance au linéament le plus proche.Il est ainsi constaté que le débit des forages est inversement proportionnel à la distance à la discontinuité la plus proche. En d'autres termes, plus le forage est proche d'une discontinuité régionale, plus son débit est important. L'interprétation des lithologs, des données géologiques à l'affleurement et des données de résistivités électriques permet de proposer un modèle conceptuel géologique représentatif du profil d'altération type pour chaque domaine géologique de la région. En particulier, le modèle proposé décrit la structuration verticale du profil d'altération pour les trois principales formations géologiques de la région: les granites, les métasédiments et les métavolcanites. La caractérisation de la structure de l'aquifère permet ensuite de proposer un modèle conceptuel hydrogéologique pour chacun des profils d'altération basé sur l'analyse statistique des arrivées d'eau et de l'interprétation des données d'essais par pompage de différents forages. Cela permet d'identifier pour chaque formation les profondeurs de fréquence, de densité et de débit des arrivées d'eau ainsi que les couches du profil associées aux zones de conductivité et de productivité (débit spécifique) élevées.L'ensemble de ces informations géologiques et hydrogéologiques permet de proposer une modélisation conceptuelle de l'hydrosystème étudié (une partie du Bassin du NZI,environ 6300km2) ainsi qu'une modélisation numériques de l'écoulement, celle-ci servant de base à une réflexion sur la pertinence de l'information disponible et d'une modélisation discrète dans ce type d'environnement au vu des objectifs affichés (modèle de gestion et d'aide à la décision pour l'implantation de nouveaux forages). / The hydraulic characterization of fractured basement in Dimbokro-Bongouanou region, Côte d'Ivoire, is an essential step to achieve an optimization of new well locations, in terms of success rates and productivity.To this end, this study first proposes conceptual models of weathering profile for the three main geological formations of the region: granites, metasediments and metavolcanic rocks. Based on in-situ observations, interpretations of lithology and cycles of erosion and alteration, the typical weathering profiles are proposed for each type geological. These are formed from top to bottom of layers alloterite, isalterite, fissured and fractured fresh basement. The fissured layer shows the maximum density of fractures in the metavolcanic rocks and métasédiments, while the fractured fresh basement concentrates the highest density of fractures in granites. Moreover, interpretation of data from pumping tests conducted in various hydraulic programs indicate that the productivity of wells is not proportional to the depth due to variation, at region scale of the thickness of the fissured layer and fractured fresh basement which totalize the maximum of water arrivals. The spatial variation of hydraulic conductivity and productivity (specific rate) is influenced by the thickness of the fissured layer, alloterite layer of the weathering profile and topography. The regional fractures of the fractured fresh basement are also areas of high productivity, as evidenced by the negative correlation between rate of productive wells and distance to these fractures. A methodology of regional fractures mapping from the use of a Radar image and hydrogeological data is suggested.All of these geological and hydrogeological informations are finally integrated into a flow model and the simulated groundwater levels are compared with measured piezometric. It thus appears that the values of hydraulic conductivities deduced from pumping tests are 103 times lower than those that reproduce the regional flow. In addition, a dual approach (equivalent continuum for alterite layer and fissured layer vs. discrete fracture of the base) confirms the role of accidents in the regional flows.

Le présent travail a été réalisé dans le cadre du programme scientifique AQUALP, soutenu par la Fondation EVIAN. Son thème est l'étude de l'hydrogéologie du cristallin alpin. Le programme AQUALP comporte deux volets coordonnés : tandis que le volet "sources", mené à l'université de Savoie, s'intéresse aux circulations naturelles vers les exutoires superficiels, le volet << ouvrages » qui constitue ce travail s'est focalisé sur l'interaction entre les ouvrages du génie civil et les eaux souterraines. L'approche adoptée est celle d'une étude de terrain durant laquelle des venues d'eau rencontrées dans divers ouvrages souterrains alpins et replacées dans leur contexte géologique ont été suivies du point de vue des débits, de la physico-chimie et de la chimie isotopique. Un essai de traçage ainsi que des simulations numériques des écoulements souterrains ont également été réalisés. Principaux résultats L'inventaire des données hydrogéologiques dans les nombreux ouvrages souterrains existants a permis de calculer, sur la base de solutions analytiques simples, la distribution de la conductivité hydraulique des massifs traversés. Ces résultats montrent la diminution de la conductivité hydraulique avec la profondeur. Us nous amènent à préciser l'épaisseur de la zone décomprimée, soit 500 m environ. Cette zone influence fortement les écoulements souterrains dans ces massifs. La présence de micas inhibe la conductivité hydraulique en conférant aux roches un comportement plus plastique lors des phases tectoniques passées. La température des venues d'eau rencontrées est une fonction complexe de l'épaisseur de la couverture rocheuse sus-jacente et de la quantité d'eau circulant dans le massif. Elie constitue dès lors un indicateur précieux, lors du creusement d'un ouvrage souterrain, de la présence d'éventuels tronçons plus perméables dans les terrains à venir. Une simulation numérique d'un cas de ce genre a été effectuée et montre la possibilité d'utiliser cet outil pour améliorer la prévision des venues d'eau dans l'ouvrage. L'étude des températures ainsi que l'application du géothermomètre calcédoine à l'ensemble des venues étudiées a montré l'existence de systèmes d'écoulement ascendants, alimentés par les précipitations. Les eaux circulant dans les massifs alpins possèdent une composition chimique fortement influencée par la nature de la roche réservoir. Les analyses chimiques des éléments majeurs et en traces ont permis de distinguer les eaux issues des diverses pétrographies rencontrées. On soulignera avant tout la complémentarité des analyses des éléments majeurs et en traces. En effet, le pouvoir discriminant de ces deux types d'analyses ne s'applique pas aux mêmes roches. Les structures majeures hydrauliquement conductives dans les massifs cristallins alpins ont été définies. On citera principalement les fractures isolées, les zones fortement fracturées et tectonisées, les zones de kakirites, la zone décomprimée, la zone fauchée, les contacts entre unités hydrogéologiques distinctes et les grandes structures métasédimentaires. Les caractéristiques hydrauliques et physico-chimiques des eaux associées à chacun des types de structures définis ont été déterminées. Ces structures sont très redressées et induisent des circulations d'eau proches de la verticale, de la surface vers l'ouvrage. Les zones d'infiltration des eaux déterminées sur la base de l'orientation des structures majeures co0incident généralement avec les altitudes calculées sur la base des analyses isotopiques (0- 18) des eaux. Quelques anomalies ont cependant été mises en évidence. Elles sont relatives principalement à des circulations dans la zone décomprimée ou dans des terrains de couverture quaternaire. Des relations entre les eaux de surface (lacs de retenue ou rivières) et les ouvrages souterrains ont également été mises en évidence sur base de l'interprétation des résultats isotopiques. De nombreuses venues d'eau sont pauvres en tritium et attestent de temps de transit jusqu'à l'ouvrage de l'ordre de plusieurs décennies, en relation avec les faibles perméabilités observées en profondeur. Ces eaux sont souvent riches en sodium, du fait de l'altération des silicates contenus dans la roche. Les eaux plus récentes ont été rencontrées à faible profondeur, dans la zone décomprimée ou en association avec un grand accident géologique. Les exemples d'interaction entre les ouvrages souterrains et les sources sont systématiquement liés à d'importantes venues d'eau dans les ouvrages au travers soit de la zone décomprimée du massif, soit d'une zone particulièrement transmissive connectée avec la surface. Ces exemples montrent que dans ce milieu fissuré, extrêmement compartimenté et anisotrope, le tarissement de sources n'est pas lié à un abaissement progressif d'une nappe le long de l'ouvrage mais à des venues très ponctuelles et localisées. Un modèle conceptuel de l'hydrogéologie du cristallin alpin est proposé dans ce travail. Il est accompagné d'un modèle d'interaction entre un ouvrage et le milieu naturel. Il doit aider le maître d'oeuvre à prévoir les venues d'eau dans les ouvrages souterrains et à adopter la solution optimale pour minimiser l'impact de l'ouvrage sur les ressources en eau.

Les aquifères fracturés sont un enjeu majeur de l’hydrogéologie actuelle. Ils constituent une ressource essentielle pour de nombreuses populations. Le massif de l’Ursuya (France, 64), en est une illustration. Constitué de formations métamorphiques fracturées, il est intensément exploité pour l’alimentation en eau potable. Une approche multidisciplinaire a permis la compréhension du fonctionnement de ce système. Les résultats obtenus constituent une avancée dans la connaissance des aquifères discontinus et offrent des pistes pour une gestion raisonnée de cette ressource.Le signal d’entrée est caractérisé dans sa composante quantitative et qualitative. Le suivi des paramètres climatiques permet d’estimer la lame d’eau participant à la recharge de l’aquifère. La caractérisation isotopique de l’eau précipitée met ensuite en évidence une origine majoritairement atlantique des masses d’air, responsables des précipitations sur le nord-ouest du Pays Basque. Des circulations atmosphériques sur la péninsule Ibérique, l’Europe du Nord et la région méditerranéenne sont cependant responsables de certains événements pluvieux. La composition chimique de l’eau de pluie, résultant de ces origines, est caractérisée par une faible acidité et par des concentrations en éléments anthropiques parfois élevées.L’hydrochimie des eaux souterraines est étudiée conjointement avec des données de temps de séjour acquises par l’interprétation des concentrations en 3H, CFC et SF6. Les caractéristiques physico-chimiques, les temps de séjours mesurés (moins de 10 ans à plus de 50 ans) et les phénomènes de mélanges associés permettent de proposer un modèle conceptuel des écoulements souterrains. Celui-ci met en exergue le rôle prépondérant du profil d’altération développé dans les milieux cristallins (de la surface vers la profondeur : altérites, roche fissurée et roche saine), du point de vue de la minéralisation de l’eau comme de celui des modalités d’écoulement.Une approche quantitative est finalement proposée. Du point de vue hydrodynamique, l’hétérogénéité spatiale est importante (10–4 m s–1 < K < 10–8 m s–1). Les altérites offrent une capacité de stockage et de régulation de la recharge. Un modèle numérique synthétise et valide ces résultats. Les simulations montrent de fortes interactions entre les réseaux d’écoulements superficiel et souterrain et de faibles impacts de l’exploitation actuelle sur les flux d’eau souterraine. Les évolutions climatiques ne modifieront pas significativement les écoulements durant les prochaines décennies. Une diminution des débits des sources et des cours d’eau est toutefois probable. Ce modèle numérique et l’ensemble des résultats obtenus serviront de base pour une gestion raisonnée de la ressource en eau de l’aquifère de l’Ursuya. / Hard-rock aquifers are one of the major challenges for the current hydrogeology. These fractured formations are intensively exploited for drinking water supply becoming an essential resource for many people. The metamorphic massif of Ursuya (France, 64) is one of this strategic aquifer. A multidisciplinary approach has led to understand the functioning of this system. The results help to progress in the knowledge of discontinuous media and they provide supports for a rational management of this resource.The input signal is characterized by both quantitative and qualitative methods. Monitoring of climate parameters is used to estimate the amount of aquifer recharge. Isotopic characterization of rainwater highlights the principal Atlantic origin of air masses which are responsible of precipitation on the north-western Basque Country. Some rainfall events are also due to atmospheric circulation over the Iberian Peninsula, the Northern Europe and the Mediterranean region. The chemical composition of rainwater, resulting from these origins, is characterized by a low acidity and sometimes by high concentrations of anthropogenic elements.The hydrochemistry of groundwater is studied in conjunction with residence time data. These are acquired by the interpretation of 3H, CFCs and SF6 concentrations. The chemical characteristics, the measured residence times (less than 10 years to over than 50 years) and the associated mixing processes allow the achievement of a conceptual model of groundwater flow. It points out the role of the weathering profile (from the surface to the depth : weathered layer, fractured rock and fresh bedrock) from the point of view of the mineralization as well as the flowpaths.A quantitative approach is finally proposed. Boreholes studies show highly heterogeneous hydrodynamic properties (10-4 m s-1 < K <10-8 m s-1). Weathered materials provide a storage capacity and a smoothing of the recharge variations, these results are synthesized and validated by a numerical model. The simulations show strong interactions between the surface flow network and the water table. It also highlights the low impact of the current groundwater exploitation on the aquifer and that climate change will not significantly modify the groundwater flows in the coming decades. Nevertheless, a decrease of the springs and streams flow is probable. This numerical model and all these results constitute the basis for a rational management of water resources from the Ursuya aquifer.

Les processus microbiens ont une importance déterminante dans la dynamique des processus réactifs dans les eaux souterraines. La compréhension de la variabilité spatiale et temporelle de ces phénomènes, et le développement de méthodes expérimentales de terrain, ouvrent de nouveaux champs de recherches et d'applications allant de la remédiation des aquifères contaminés à la compréhension des grands cycles biogéochimiques naturels. Dans le premier volet de cette thèse nous présentons des observations de terrain permettant de comprendre le rôle des fractures sur la formation d'un ''hotspot'' d'activité microbienne en profondeur. Du fait de leur forte réactivité, ces ''hotspots'' peuvent dominer la dynamique biogéochimique des milieux souterrains, malgré leur faible extension spatiale. Nous avons ainsi analyser les conditions de formation d'un tapis microbien par des bactéries ferro-oxydantes à 60 mètres de profondeur sur l'observatoire de Ploemeur (réseau H+) alors que ces phénomènes ont été observé jusqu'à présent en surface. Les résultats de cette étude montrent que des circulations hétérogènes, liées à la structure des milieux fracturés, créent des zones mélanges entre des eaux riches en fer et des eaux oxygénées, à l'origine de ce hotspot microbien. Le deuxième volet de ce travail de thèse a été consacré au développement d'une méthode innovante pour la mesure en continu de l'activité microbienne dans les eaux souterraines. La méthode est basée sur l'utilisation de la Fluoréscéine DiAcétate (FDA) dont le produit de réaction peut être mesuré en continu par un fluorimètre de terrain. Après avoir testé et validé les protocoles sur des solutions enzymatiques et des eaux naturelles en laboratoire, nous avons mis en œuvre cette technique sur le terrain au cours d'expériences de traçages réactifs. Un modèle cinétique nous a permis d'approcher les résultats obtenus en laboratoire, et de comparer nos résultats de terrain aux calibrations effectuées in vitro. Cette méthode ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour la caractérisation des processus biogéochimiques sur le terrain. / Microbial processes play a key role in controlling biogeochemical reactivity in groundwater. The understanding of the spatial and temporal variability of these phenomena and the development of novel experimental field methods, has opened new fields of research and applications, ranging from groundwater remediation to understanding of global biochemical cycles. In the first part of this thesis, we present field observations providing new insights on the role of fractures in the formation of a hotspot of microbial activity. Because of their large reactivity, these hotspots can dominate the biogeochemical dynamics of subsurface systems, despite their small spatial extent. We have thus analyzed the conditions for the formation of a microbial mat composed of iron-oxidizing bacteria at 60 meters depth in the Ploemeur fractured rock observatory (H+ network) while these phenomena are usually observed at the surface. These results show that heterogeneous flowpaths, linked to the structure of fractured media, create mixing zones between iron rich water and oxygen rich water, at the origin of the microbial hotspot. The second part of this work was devoted to the development of a novel method for a continuous measurement of microbial activity in groundwater. The method is based on the use of Fluorescein DiAcetate (FDA) whose product of reaction can be measured continuously by a field fluorimeter. After testing and validating protocols in the lab on enzymatic solutions and natural water, we have implemented this technic in the field in reactive tracer test experiments. A kinetic model allowed us to interpret the lab results, and to compare them to the field kinetics. This method thus opens new perspectives for the characterization of biogeochemical processes in the field.

Les aquifères fracturés sont un enjeu majeur de l'hydrogéologie actuelle. Ils constituent une ressource essentielle pour de nombreuses populations. Le massif de l'Ursuya (France, 64), en est une illustration. Constitué de formations métamorphiques fracturées, il est intensément exploité pour l'alimentation en eau potable. Une approche multidisciplinaire a permis la compréhension du fonctionnement de ce système. Les résultats obtenus constituent une avancée dans la connaissance des aquifères discontinus et offrent des pistes pour une gestion raisonnée de cette ressource.Le signal d'entrée est caractérisé dans sa composante quantitative et qualitative. Le suivi des paramètres climatiques permet d'estimer la lame d'eau participant à la recharge de l'aquifère. La caractérisation isotopique de l'eau précipitée met ensuite en évidence une origine majoritairement atlantique des masses d'air, responsables des précipitations sur le nord-ouest du Pays Basque. Des circulations atmosphériques sur la péninsule Ibérique, l'Europe du Nord et la région méditerranéenne sont cependant responsables de certains événements pluvieux. La composition chimique de l'eau de pluie, résultant de ces origines, est caractérisée par une faible acidité et par des concentrations en éléments anthropiques parfois élevées.L'hydrochimie des eaux souterraines est étudiée conjointement avec des données de temps de séjour acquises par l'interprétation des concentrations en 3H, CFC et SF6. Les caractéristiques physico-chimiques, les temps de séjours mesurés (moins de 10 ans à plus de 50 ans) et les phénomènes de mélanges associés permettent de proposer un modèle conceptuel des écoulements souterrains. Celui-ci met en exergue le rôle prépondérant du profil d'altération développé dans les milieux cristallins (de la surface vers la profondeur : altérites, roche fissurée et roche saine), du point de vue de la minéralisation de l'eau comme de celui des modalités d'écoulement.Une approche quantitative est finalement proposée. Du point de vue hydrodynamique, l'hétérogénéité spatiale est importante (10-4 m s-1 < K < 10-8 m s-1). Les altérites offrent une capacité de stockage et de régulation de la recharge. Un modèle numérique synthétise et valide ces résultats. Les simulations montrent de fortes interactions entre les réseaux d'écoulements superficiel et souterrain et de faibles impacts de l'exploitation actuelle sur les flux d'eau souterraine. Les évolutions climatiques ne modifieront pas significativement les écoulements durant les prochaines décennies. Une diminution des débits des sources et des cours d'eau est toutefois probable. Ce modèle numérique et l'ensemble des résultats obtenus serviront de base pour une gestion raisonnée de la ressource en eau de l'aquifère de l'Ursuya.