Les études isotopiques couplées avec des informations géothermiques peuvent constituer des outils pertinents pour l'exploration des eaux souterraines en tant que ressources en eau potable ou géothermiques. Ce travail combine les deux approches, isotopes de l'environnement et radioactifs associés à des données de température sur des aquifères profonds, dans l'objectif d'enrichir et d'améliorer la connaissance des mécanismes de recharge (Bassin d'Aquitaine, France) ainsi que des mécanismes de recharge et du potentiel géothermique (Bassin Crétacé de Bohème, République Tchèque). Les isotopes stables (18O, 2H, 13C) utilisés conjointement avec des radioisotopes (14C, 3H) sont utilisés pour estimer l'époque de la recharge ainsi que les conditions climatiques qui prévalaient lors de l'infiltration depuis la fin de Pléistocène jusqu'à nos jours. Définir le type de recharge et les conditions d'écoulement est nécessaire pour parvenir à modéliser de façon satisfaisante et fiable les grands systèmes aquifères profonds. Trois types de recharge ont été définis en Europe - (i) continue, (ii) interrompue lors du dernier maximum glaciaire (LGM) - un troisième type (iii) correspond à des situations particulières de recharge. Les conditions géographiques et climatiques très différentes rencontrées en France et en République Tchèque ont engendrées une importante hétérogénéité des conditions et processus de recharge. Le sud de la France, avec un climat relativement doux depuis les derniers 40 ka BP, n'a pas enregistré d'interruption de la recharge. Le temps de séjour des eaux souterraines en Bohème est estimé à environ 11 ka BP au maximum. Cependant, l'appauvrissement des teneurs en isotopes stables enregistré suggère une recharge liée à la fonte de la calotte glaciaire Nord Européenne après le dernier maximum glaciaire (LGM), autour de 18-20 ka BP. Des investigations sur les isotopes du carbone minéral dissous des eaux souterraines du bassin de Bohème ont montrées d'importantes interactions avec différentes sources de carbone qui ont été identifiées. Pour le site d'étude tchèque, les informations apportées par la géochimie ont été complétées par des données géothermiques afin d'améliorer la connaissance des flux et de la dynamique des eaux souterraines. Plus d'une centaine d'enregistrements diagraphiques de température ont été utilisés pour estimer le gradient géothermique. Plusieurs phénomènes viennent perturber le gradient géothermique de la région. Les flux d'eau souterraine verticaux et les variations lithologiques et topographiques sont à l'origine d'une distribution complexe du flux de chaleur, étant majoritairement conditionné par les écoulements souterraines. Les discontinuités peu profondes et les nombreux pointements volcaniques exercent aussi une influence importante sur l'écoulement souterrain et donc aussi sur le potentiel géothermique du réservoir. Les investigations sur la géothermie ont ainsi fourni des informations fondamentales sur le potentiel géothermique mais aussi sur les conditions d'écoulement des eaux souterraines. La prise en compte de ces informations s'avère nécessaire afin de proposer des modèles mathématiques d'écoulement réalistes.

Dans le cadre de la recherche de nouvelles sources d'énergie propres et durables, nous étudions les mécanismes de formation du dihydrogène (H2) dans les environnements intra-cratoniques. Des émanations naturelles de H2 ont précédemment été décrites à proximité des dorsales médio-océaniques et des ceintures ophiolitiques. Cette production naturelle de gaz, telle que documentée dans la littérature, est étroitement liée au métasomatisme de roches ultrabasiques d'origine mantellique, riches en minéraux ferromagnésiens, à travers les réactions de serpentinisation. Au Kansas (USA), des émanations de H2 intra-cratonique ont été révélées dès les années 80 par l'étude de puits riches en H2. Nos travaux s'appuient sur un nouveau forage, D#2 (Kansas, USA), ainsi que deux forages existants depuis les années 80, Heins#1 et Scott#1 (Kansas, USA). Le puits D#2 permet d'accéder à un aquifère modérément profond (~300 m) chargé en H2. Le gaz est composé également de N2 et de CH4 tout comme le gaz issu des contextes ophiolitiques. Du He est présent en quantité substantielle -comparé aux contextes précédents- dans ces forages. Afin de comprendre les processus engendrant la production de H2 dans ce contexte géologique, de quantifier le gaz ainsi généré, et de déterminer la relation du H2 avec les autres espèces gazeuses une étude multidisciplinaire gaz/eau/roche a été réalisée. Les résultats obtenus lors de l'étude de ces fluides mis en parallèle avec le contexte géologique régional et les lithologies observées ont permis (1) de proposer différents scénarios pour expliquer les associations de gaz observées et (2) de discuter de l'origine et des processus de production du H2, de l'He, et du N2. / As part of the search for new sources of clean and sustainable energy, the mechanisms for the formation of dihydrogen (H2) in intracratonic environments were studied. Natural emissions of H2 have been described in the vicinity of mid-ocean ridges and ophiolite belts. This natural gas production, as documented in the literature, is closely related to the metasomatism of mantle rocks which are rich in mafic minerals, through the serpentinization reaction. In Kansas (USA), intracratonic H2 seepages were revealed in the 80’s by studies of H2-rich wells. Our work is based on a new borehole D#2 (Kansas, USA), and two boreholes previously studied in the 80s, Heins#1 and Scott#1 (Kansas, USA). The D#2 well provides access to a moderately deep aquifer (~ 300 m) loaded with H2. The gas is also composed of N2 and CH4 similarly to the gases issued from ophiolitic contexts. Helium is present in substantial quantities -compared to preceding contexts- in these boreholes. A multidisciplinary gas/water/rock study was carried out to understand the processes generating the production of H2 in this geological setting, to quantify the gas so generated, and to determine the relationship of H2 with other gaseous species. The results of these studies in parallel with the regional geological setting and observed lithology allowed (1) to propose several scenarios to explain the observed associations of gas and (2) to discuss the origin and production process of H2, He and N2.

L'aquifère molassique du Bas-Dauphiné est situé le long de la vallée du Rhône, dans le Sud-Est de la France. Cet aquifère d'une superficie proche de3000 km², et d'une épaisseur moyenne de 400m renferme une eau d'excellente qualité, utilisée par de nombreuses collectivités pour l'alimentation en eau potable. Cependant certains secteurs montrent une forte vulnérabilité de la nappe aux activités agricoles. L'utilisation d'outils géochimiques etisotopiques a permis de préciser le fonctionnement hydrodynamique de l'aquifère. Dans un premier temps, nous avons montré que la stratification des écoulements décrite par De La Vaissière (2006) sur la partie drômoise de l'aquifère s'étend au secteur isérois. Les eaux les plus profondes ont des vitesses de circulation de l'ordre du mètre par an alors que les flux superficiels ont des vitesses de circulations d'une centaine de mètres par an. D'autre part, le marquage des nappes superficielles et des rivières par des teneurs faibles en tritium (de 3 à 4 UT) et forte en magnésium (jusqu'à 18 mg/L)indique un apport d'eaux anciennes, issues de l'aquifère molassique vers ces eaux superficielles. La définition de deux pôles d'eaux et l'application d'une équation de mélange couplés à la réalisation de bilans hydrogéologique a permis d'appréhender les volumes échangés. Il apparaît finalement que les réservoirs d'eaux superficiels constituent l'exutoire principal de l'aquifère molassique. L'utilisation des éléments traces a mis en avant le rôleessentiel du temps de séjour des eaux dans l'aquifère ainsi que des conditions d'oxydo-réduction dans l'acquisition de la minéralisation. L'évaluation de la qualité naturelle des eaux de la nappe a montré l'impact des activités agricoles sur l'aquifère, avec prés de 80% des échantillons ayant une teneur en nitrates supérieure à la concentration naturelle supposée. L'étude des teneurs en pesticides conforte ce constat. De plus l'étude de l'évolution des concentrations en polluants montre une dégradation de la ressource.

Les études isotopiques couplées avec des informations géothermiques peuvent constituer des outils pertinents pour l’exploration des eaux souterraines en tant que ressources en eau potable ou géothermiques. Ce travail combine les deux approches, isotopes de l’environnement et radioactifs associés à des données de température sur des aquifères profonds, dans l’objectif d’enrichir et d’améliorer la connaissance des mécanismes de recharge (Bassin d’Aquitaine, France) ainsi que des mécanismes de recharge et du potentiel géothermique (Bassin Crétacé de Bohème, République Tchèque).Les isotopes stables (18O, 2H, 13C) utilisés conjointement avec des radioisotopes (14C, 3H) sont utilisés pour estimer l’époque de la recharge ainsi que les conditions climatiques qui prévalaient lors de l’infiltration depuis la fin de Pléistocène jusqu’à nos jours. Définir le type de recharge et les conditions d’écoulement est nécessaire pour parvenir à modéliser de façon satisfaisante et fiable les grands systèmes aquifères profonds. Trois types de recharge ont été définis en Europe - (i) continue, (ii) interrompue lors du dernier maximum glaciaire (LGM) – un troisième type (iii) correspond à des situations particulières de recharge.Les conditions géographiques et climatiques très différentes rencontrées en France et en République Tchèque ont engendrées une importante hétérogénéité des conditions et processus de recharge. Le sud de la France, avec un climat relativement doux depuis les derniers 40 ka BP, n’a pas enregistré d’interruption de la recharge. Le temps de séjour des eaux souterraines en Bohème est estimé à environ 11 ka BP au maximum. Cependant, l’appauvrissement des teneurs en isotopes stables enregistré suggère une recharge liée à la fonte de la calotte glaciaire Nord Européenne après le dernier maximum glaciaire (LGM), autour de 18-20 ka BP. Des investigations sur les isotopes du carbone minéral dissous des eaux souterraines du bassin de Bohème ont montrées d’importantes interactions avec différentes sources de carbone qui ont été identifiées.Pour le site d’étude tchèque, les informations apportées par la géochimie ont été complétées par des données géothermiques afin d’améliorer la connaissance des flux et de la dynamique des eaux souterraines. Plus d’une centaine d’enregistrements diagraphiques de température ont été utilisés pour estimer le gradient géothermique. Plusieurs phénomènes viennent perturber le gradient géothermique de la région. Les flux d’eau souterraine verticaux et les variations lithologiques et topographiques sont à l’origine d’une distribution complexe du flux de chaleur, étant majoritairement conditionné par les écoulements souterraines. Les discontinuités peu profondes et les nombreux pointements volcaniques exercent aussi une influence importante sur l’écoulement souterrain et donc aussi sur le potentiel géothermique du réservoir. Les investigations sur la géothermie ont ainsi fourni des informations fondamentales sur le potentiel géothermique mais aussi sur les conditions d’écoulement des eaux souterraines. La prise en compte de ces informations s’avère nécessaire afin de proposer des modèles mathématiques d’écoulement réalistes. / Isotopic investigations combined with geothermal applications represent powerful tools for the exploration of groundwater potential as a drinking or geothermal resource. This Ph.D. thesis combines both approaches, environmental and radioactive isotopes together with temperature data in deep aquifers, in order to enrich and update the knowledge concerning the aquifer recharge processes in the Aquitaine Basin (France) and the aquifer recharge processes and geothermal potential in the Bohemian Cretaceous Basin (Czech Republic).Stable isotopes (18O, 2H, 13C) combined with radioisotope data (14C, 3H) are used to estimate the recharge timing and climatic conditions prevailing during the infiltration from the Late Pleistocene up to modern time. The character of groundwater recharge and regime are necessary to generate relevant source data for the accurate modelling of complex groundwater systems. Three groups of groundwater recharge types can be distinguished throughout Europe – (i) continuous recharge and (ii) interrupted recharge during Last Glacial Maximum and (iii) a group corresponding to particular recharge conditions.The contrasted geographic and climate conditions at both study sites in France and Czech Republic have entailed a great heterogeneity of the recharge conditions and processes. Southern France, with generally mild climatic conditions during the last 40 ka BP, did not experienced considerable hiatus in groundwater recharge. The residence time of groundwater in the Bohemian aquifers is estimated about 11 ka BP at the maximum but the depletion in the stable isotopes suggests that this groundwater originates in the melting of the north European ice sheets after the Last Glacial Maximum period, i.e. 18-20 ka BP. Further investigations on both stable and radioactive carbon isotopes indicated numerous groundwater interactions within the reservoir that were used to delineate the carbon origin within the Bohemian aquifers.Information on groundwater geochemistry was supplemented in the Czech case study by geothermal data in order to improve our knowledge of groundwater flow and dynamics. More than a hundred of temperature records from well-logging measurements were used to assess the geothermal gradient in the Bohemian Cretaceous Basin which is the most promising heat accumulation within the country. Many phenomena can affect the thermal field in the region. Vertical groundwater flow and variations in the lithology and the topography lead to a complicated areal distribution of the geothermal gradient and the heat flux which is dominantly controlled by groundwater. Shallow tectonic structures and numerous volcanic rocks exercise an influence on groundwater flow and therefore exert a secondary effect on the thermal field. The geothermal investigation provided useful information on the geothermal resources within the region but also represents an important tool for understanding groundwater flow, and for constructing realistic hydrogeological models in such a complex geological, tectonic and geothermal context.

Le bassin molassique de Carpentras est constitué de formations miocènes sablo-argileuses présentant de nombreuses variations de faciès. Il renferme un réservoir aquifère complexe aux caractéristiques hydrodynamiques intrinsèques médiocres (perméabilité comprise entre 10-4 et 10-7 m.s-1) mais dont la puissance est importante (600 m d'épaisseur). La qualité chimique de l'eau est excellente (naturellement potable) ; l'exploitation est facile et bon marché. Depuis les années 1960, le nombre de forages a augmenté rapidement et sans contrôle. En 2006, on compte des milliers d'ouvrages sur 600 km2. Dans un contexte de rationalisation des usages de l'eau, il est apparu nécessaire de faire un état des connaissances et d'actualiser celles-ci pour construire un schéma de fonctionnement du système aquifère.<br />Ce travail aborde la géologie, l'hydrodynamique et l'hydrochimie du bassin. Chaque élément fait l'objet d'une revue bibliographique critique et est approfondi par l'acquisition et l'analyse de données nouvelles. L'étude géophysique des bordures du bassin par tomographie de résistivité électrique permet de proposer un schéma de l'organisation des corps sédimentaires. Le suivi mensuel du niveau de l'eau dans 51 ouvrages pendant 20 mois révèle l'influence saisonnière très nette des pompages. Enfin deux campagnes de prélèvements et d'analyses des ions caractéristiques des eaux du bassin (100 éch.) ont été menées en 2004 et 2005. La comparaison des résultats avec ceux acquis en 1985 et 1996 permet une approche spatio-temporelle des concentrations (évolution de la contamination nitratée, temps de séjour).<br />On aboutit à un modèle hydrogéologique simple mais complet. La modélisation est alors utilisée comme un outil de synthèse des informations et des hypothèses de fonctionnement. Elle permet ainsi une visualisation générale du fonctionnement de l'aquifère et met en évidence les éléments qui nécessiteraient des investigations supplémentaires pour améliorer la compréhension.

Une étude hydrogéologique a été entreprise sur les eaux de l'aquifère miocène du bassin de Valréas (Vaucluse). Celle-ci vise à améliorer la connaissance du fonctionnement du système grâce à une étude détaillée combinant une vaste gamme d'outils isotopiques et géochimiques qui inclut : les isotopes stables de la molécule d'eau (18O et 2H), les isotopes du carbone minéral dissous (13C et 14C), le tritium, les gaz rares et les éléments chimiques majeurs. Les activités 14C décroissent depuis environ 100 pcm dans la zone de recharge, jusqu'à des valeurs inférieures à 1 pcm dans l'aquifère captif. Les âges calculés révèlent la présence d'eau dont le temps de séjour atteint plus de 30 000 ans dans la partie confinée. Les teneurs en 18O et 2H mettent en évidence un fort contraste isotopique entre aquifère libre et aquifère captif, et l'étude de la relation 18O/2H souligne la particularité des circulations atmosphériques régionales, sous influence mixte atlantique et méditerranéenne. L'excès en deutérium calculé à partir des eaux anciennes suggère la persistance de ce schéma depuis le Pléistocène. Les paléotempératures de recharge déduites des concentrations en gaz rares fournissent une différence de température entre le Tardiglaciaire et l'Holocène de l'ordre de 7°C et les teneurs en hélium radiogénique montrent une évolution graduelle avec l'augmentation du temps de séjour. La géochimie des eaux met en évidence la sensibilité des eaux du réservoir miocène aux pollutions d'origine anthropique. Les minéraux argileux sont à l'origine d'échanges de bases dont l'intensité est proportionnelle au temps de séjour. La comparaison des vitesses hydrauliques et des vitesses radioisotopiques indique une grande différence dans les deux méthodes concernant la partie captive de l'aquifère, suggérant l'existence d'eaux quasi-stagnantes dans l'aquifère confiné. A l'issue de cette étude un modèle conceptuel de fonctionnement de l'aquifère est proposé.

L’aquifère molassique du Bas-Dauphiné est situé le long de la vallée du Rhône, dans le Sud-Est de la France. Cet aquifère d’une superficie proche de3000 km², et d’une épaisseur moyenne de 400m renferme une eau d’excellente qualité, utilisée par de nombreuses collectivités pour l’alimentation en eau potable. Cependant certains secteurs montrent une forte vulnérabilité de la nappe aux activités agricoles. L’utilisation d’outils géochimiques etisotopiques a permis de préciser le fonctionnement hydrodynamique de l’aquifère. Dans un premier temps, nous avons montré que la stratification des écoulements décrite par De La Vaissière (2006) sur la partie drômoise de l’aquifère s’étend au secteur isérois. Les eaux les plus profondes ont des vitesses de circulation de l’ordre du mètre par an alors que les flux superficiels ont des vitesses de circulations d’une centaine de mètres par an. D’autre part, le marquage des nappes superficielles et des rivières par des teneurs faibles en tritium (de 3 à 4 UT) et forte en magnésium (jusqu’à 18 mg/L)indique un apport d’eaux anciennes, issues de l’aquifère molassique vers ces eaux superficielles. La définition de deux pôles d’eaux et l’application d’une équation de mélange couplés à la réalisation de bilans hydrogéologique a permis d’appréhender les volumes échangés. Il apparaît finalement que les réservoirs d’eaux superficiels constituent l’exutoire principal de l’aquifère molassique. L’utilisation des éléments traces a mis en avant le rôleessentiel du temps de séjour des eaux dans l’aquifère ainsi que des conditions d’oxydo-réduction dans l’acquisition de la minéralisation. L’évaluation de la qualité naturelle des eaux de la nappe a montré l’impact des activités agricoles sur l’aquifère, avec prés de 80% des échantillons ayant une teneur en nitrates supérieure à la concentration naturelle supposée. L’étude des teneurs en pesticides conforte ce constat. De plus l’étude de l’évolution des concentrations en polluants montre une dégradation de la ressource. / The molassic basin of Bas-Dauphiné is located in south-eastern France, in the Rhône valley. With an averagethickness of about 400 m, and a surface area of about 2900 km², this aquifer is an important groundwaterresource for freshwater supply and agriculture. However, this resource is also vulnerable and is impacted byhuman activities. The use of geochemical and isotopic analyses made it possible to understand the hydrodynamicsurvey of the aquifer. Firstly, we showed the stratification of the groundwater previously described in thesouthern part of the molassic aquifer could be extended to the north. The groundwater flow velocity is about onemeter / year for the deepest flow and around 100-200 meter /year for the shallowest flow. Secondly, superficialaquifers and rivers are marked by low tritium activities (3 to 4 UT) and high magnesium concentrations (until 18mg/L), which indicate ancient molassic water contribution. The definition of two water types and the applicationof a mixing equation combined with hydrogeological balances lead to an estimation of the contribution of thedeep aquifer to the shallow aquifer. It is finally established that surface water (aquifers and rivers) constitute themain outlet of the molassic aquifer. The use of trace elements shows the importance of the groundwaterresidence time and of redox conditions in the water mineralization. The assessment of baseline quality shows theimpact of agricultural activities upon the aquifer, with nearly 80 % of samples showing higher nitrateconcentration than the maximal natural concentration. This is confirmed by the study of pesticidesconcentrations. Furthermore, the evolution of pollutants concentrations points out a deterioration of the resource.