Depuis près de quinze ans, l'Andra mène un important programme scientifique pour acquérir des connaissances en vue d'un éventuel stockage de déchets radioactifs en milieu géologique profond. L'outil de recherche le plus important est le laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne, implanté à 490 mètres de profondeur au cœur d'une formation d'argilites datées du Callovo-Oxfordien. Cette thèse a pour objectif de tirer le meilleur parti possible des données diagraphiques haute définition et d'optimiser leur étude pour préciser et caractériser les variations et la variabilité spatio-temporelle des argilites du site de Meuse/Haute-Marne dans une zone de 250 km2 autour du laboratoire actuel. Cette étude revient à répondre à la question " quel est le temps réellement enregistré par des sédiments ? ", une problématique qui peut avoir des applications importantes dans les mondes industriel et scientifique. L'étude des variations spatiales peut être menée à différentes échelles. Une première échelle de variabilité est donnée par les diagraphies conventionnelles, qui mettent en évidence des variations latérales d'épaisseur entre les forages Andra. Une deuxième échelle de variabilité est donnée par l'analyse détaillée d'un outil à haute résolution : le FMI®, sur lequel des alternances régulières de niveaux argileux et plus carbonatés sont clairement identifiées. Des traitements géostatistiques ont été effectués pour affiner l'étude de cette cyclicité. Trois niveaux de cyclicité ont pu être quantifiés par une analyse variographique de l'ensemble des données diagraphiques et des données FMI®. Ces dernières ont permis de distinguer les périodes les plus courtes. Une correspondance entre les périodes mises en évidence et les cycles orbitaux de Milankovitch (excentricité, obliquité et précession, dont les durées sont connues, a pu être établie. Elle constitue la première étape vers le passage à un repère géochronologique. La caractérisation des variations fines du taux de sédimentation a nécessité l'utilisation d'outils géostatistiques adaptés tels que l'analyse krigeante factorielle. L'estimation locale des périodes verticales a montré les variations fines du taux de sédimentation, repéré les niveaux condensés, et ainsi permis de quantifier ces variations et de compter le nombre exact de cycles dans un intervalle donné.<br/> Le passage à un repère géochronologique a d'abord permis d'estimer des durées et en particulier la durée d'unités biostratigraphiques dans des étages (Callovien et Oxfordien) où les durées absolues ne sont quasiment pas connues. Enfin, l'étude des variations du taux moyen de sédimentation dans un repère géochronologique a montré les évolutions verticales et latérales du taux de sédimentation à l'échelle du site de Meuse/Haute-Marne et le synchronisme de la plupart des niveaux condensés. Elle a infirmé certaines hypothèses concernant la présence de hiatus et en a validé d'autres, et dans ce cas a abouti à l'estimation de la durée de ces hiatus.

Les problèmes inverses se retrouvent dans de nombreux domaines de la physique. Dans ce manuscrit, deux thématiqes seront ainsi évoquées. La première concerne la diagraphie différée, qui est une étape-clé de la prospection pétrolière. La mise en place de schémas numériques et algorithmiques est explicitée ainsi que les difficultés inhérentes associées. Le deuxième axe de recherche concerne plus particulièrement les problèmes inverses de diffraction en électromagnétisme. Différents algorithmes d'inversion ont été proposés et validés par des confrontations expérimentales. Le lien fort entre conception et exploitation d'instruments d'imagerie par diffraction sera également évoqué.

Les travaux de reconnaissance menés par la société Lyon-Turin-Ferroviaire (LTF) pour le projet de tunnel international ont conduit à l'acquisition de diagraphies différées sur un grand nombre de forages profonds. La synthèse des données a permis de mettre en évidence des anomalies thermiques profondes au sein du massif à proximité du front du Houiller et dans la série siliceuse de Vanoise. Ces anomalies sont confrontées à un modèle conceptuel intégrant des circulations d'eaux souterraines homogènes dans les zones décomprimées de versant et localisées dans les zones profondes ainsi que les effets thermiques associés. Le modèle conceptuel considère un état thermique transitoire des massifs dépendant du contexte paléo-climatique.A proximité du front du Houiller, une modélisation numérique du secteur a permis de montrer que les anomalies thermiques rencontrées sont cohérentes avec l'hypothèse d'une perturbation froide associée à l'activation, au début de l'Holocène, d'une circulation profonde localisée qui se propage par conduction dans le massif. La prise en compte, dans la modélisation, du changement de température au début de l'Holocène conduit à l'adoption d'un flux géothermique de 100mWm-2, donc plus élevé que les flux généralement considérés dans les Alpes.Dans la série siliceuse de Vanoise, les anomalies observées de gradients profonds peuvent être expliquées par une augmentation de la température des circulations dans la zone décomprimée de l'ordre de 2.4°C vers la fin du Petit Âge Glaciaire. Le réchauffement des circulations plus important par rapport au réchauffement de l'air à cette période est expliqué par une diminution des apports d'eau de fusion nivale dans la zone décomprimée. Ce résultat repose sur le développement d'une méthode 1D permettant d'estimer l'âge et l'amplitude d'une variation brutale de température à la limite d'un milieu semi-infini en conduction. Avant d'être appliquée aux données de diagraphies de forage, la méthode a été testée sur des données issues de simulations numériques reproduisant les températures obtenues dans un contexte de versant intégrant les effets du relief et la présence d'un flux géothermique. / The reconnaissance works for the Lyon-Turin railway tunnel project have led to well logs acquisition for a large number of deep boreholes. Data synthesis enabled to identify deep thermal disturbances inside the mountain massif in the siliceous series of Vanoise and in the vicinity of the Houiller Front. On the base of the well logs analysis and the mountain hydrogeology previous knowledge, a conceptual model of groundwater flows and their thermal effects in the massif is proposed to explain the observed thermal disturbances. It integrates both a uniform water flow in decompressed zone of the valley sides and local deep flows in the massif. The model assumes a transient thermal state related to the paleo-climate environment.First, 2D numerical modelling is used to simulate the thermal disturbances encountered under the valley side in the vicinity of the Houiller Front. In one hand, a thermal transfer by conduction in the massif and a cold temperature imposed near the Houiller Front at the beginning of the Holocene period leads to the current transient thermal state of the massif. The cold temperature near the Houiller Front is assumed to be the consequence of the activation of local deep cold groundwater flows. In a second hand, to simulate the thermal disturbances related to the air temperature change at the beginning of the Holocene, a geothermal heat flux of 100mWm-2 is necessary.Secondly, we develop a method 1D for estimating the age and amplitude of a sudden temperature change at the boundary of a semi-infinite medium in conduction. The method is tested previously on data resulting from numerical simulations in order to assess its use under a valley side and with a geothermal heat flow. Applied to the temperature disturbances observed the siliceous series of Vanoise, the method leads to a 2,4°C increase of groundwater temperature in decompressed zone around the end of Little Ice Age. The value of 2,4°C is higher than the air temperature increase and explained by a decrease in snow meltwater contribution to the decompressed zone.

L'élaboration de modèles hydrodynamiques à des fins de gestion rationnelle des aquifères et des prélèvements à une échelle régionale nécessite la connaissance du fonctionnement hydrodynamique des aquitards.La caractérisation de ces formations semi-perméables implique de déterminer leurs propriétés géologiques, hydrodynamiques et leur degré d'hétérogénéité. La région de Bordeaux, soumise à d'importants prélèvements, sert ici de support d'étude pour appréhender le rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique d'un multicouche complexe. La caractérisation de ces formations semi-perméables a été obtenue au travers d'approches directes, indirectes et numériques. L'outil diagraphique a permis une réinterprétation de la géologie et a abouti à la mise à jour de la géométrie hydro-géologique du domaine d'étude ainsi qu'à une nouvelle organisation verticale des unités aquifères et aquitards. Les propriétés hydrodynamiques des aquitards ont été approchées grâce à la réalisation d'un forage expérimental dédié à l'étude d'une éponte. Des mesures pétrophysiques et l'analyse des séries temporelles enregistrées en différents niveaux de l'aquitard ont été effectuées et ont fourni des estimations des paramètres de conductivité hydraulique et d'emmagasinement spécifique de l'aquitard. Enfin, l'approche quantitative du rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique du système aquifère a été réalisée à l'aide d'un modèle hydrogéologique. Celui-ci prend en compte la géométrie revisitée, issue des données diagraphiques, et intègre les valeurs des paramètres hydrodynamiques obtenues par les mesures de laboratoire et in situ. Le modèle a été utilisé pour préciser les flux de drainance au sein du système multicouche ainsi que leurs proportions relatives. Les résultats démontrent l'impact et le rôle d'un horizon semi-perméable au sein d'un aquitard puissant. In fine, l'intégration des hétérogénéités d'un aquitard s'avère obligatoire dans l'élaboration d'outils de gestion raisonnée (quantitative et qualitative) à court et long terme des ressources en eau souterraines d'un système aquifère multicouche complexe.

Les techniques de diagraphies sont un moyen privilégié pour étudier les formations géologiques profondes, inaccessibles à l'observation directe. Elles mesurent en continu et in situ de nombreux paramètres pétrophysiques, ainsi que les concentrations en 7 éléments majeurs (Si, Ca, Fe, Al, S, K, Ti) et 3 éléments traces (U, Th et Gd). Une connaissance préalable des différents modes de fonctionnement des outils et de leur calibration permet d'évaluer la précision de la mesure. Celle-ci est surtout fonction des conditions de mesure (diamètre et rugosité du puits, vitesse de mesure). Lorsque les données sont de bonne qualité, les méthodes de classification multivariée, comme la méthode des nuées dynamiques ou le k-means, sont employées comme premier outil de visualisation des grandeurs mesurées par diagraphie. En parallèle ou en complément, à l'aide de méthodes d'inversion linéaire ou non-linéaire, il est possible de calculer une minéralogie en continu avec une précision suffisante pour être utilisée dans des modèles pétrophysiques et géologiques. Les zones de convergence de plaques lithosphériques sont des environnements géologiques instables, dans lesquels les techniques de diagraphie par cable, classiquement utilisée dans les forages scientifiques océaniques ou continentaux, ne permettent pas d'obtenir des données de bonne qualité. La nouvelle méthode de Logging-While-Drilling, ne laisse pas à l'environnement de mesure le temps de se déteriorer et donne une mesure utilisable. L'interprétation géologique, minéralogique et faciologique des données de diagraphies apportent des indications précieuses sur la dynamique sédimentaire, ainsi que sur les éventuelles transformations minéralogiques. Le caractère in situ de la mesure rend possible la modélisation de la dynamique des fluides ou de la variation et de l'orientation des champs de contrainte, dont les environnements étudiés sont souvent le siège.

La thèse est principalement centrée sur l'étude de la résolution verticale des diagraphies. On outre, l'arithmétique floue est appliquée aux modèles expérimentaux pétrophysiques en vue de transmettre l'incertitude des données d'entrée aux données de sortie, ici la saturation irréductible en eau et la perméabilité. Les diagraphies sont des signaux digitaux dont les données sont des mesures volumétriques. Le mécanisme d'enregistrement de ces données est modélisé par des fonctions d'appartenance floues. On a montré que la Résolution Verticale de la Fonction d'Appartenance (VRmf) est supérieur d'espacement. Dans l'étape suivante, la fréquence de Nyquist est revue en fonction du mécanisme volumétrique de diagraphie ; de ce fait, la fréquence volumétrique de Nyquist est proposée afin d'analyser la précision des diagraphies. Basé sur le modèle de résolution verticale développée, un simulateur géométrique est conçu pour générer les registres synthétiques d'une seule couche mince. Le simulateur nous permet d'analyser la sensibilité des diagraphies en présence d'une couche mince. Les relations de régression entre les registres idéaux (données d'entrée de ce simulateur) et les registres synthétiques (données de sortie de ce simulateur) sont utilisées comme relations de déconvolution en vue d'enlever l'effet des épaules de couche d'une couche mince sur les diagraphies GR, RHOB et NPHI. Les relations de déconvolution ont bien été appliquées aux diagraphies pour caractériser les couches minces. Par exemple, pour caractériser une couche mince poreuse, on a eu recours aux données de carottage qui étaient disponibles pour la vérification : NPHI mesuré (3.8%) a été remplacé (corrigé) par 11.7%. NPHI corrigé semble être plus précis que NPHI mesuré, car la diagraphie a une valeur plus grande que la porosité de carottage (8.4%). Il convient de rappeler que la porosité totale (NPHI) ne doit pas être inférieure à la porosité effective (carottage). En plus, l'épaisseur de la couche mince a été estimée à 13±7.5 cm, compatible avec l'épaisseur de la couche mince dans la boite de carottage (<25 cm). Normalement, l'épaisseur in situ est inférieure à l'épaisseur de la boite de carottage, parce que les carottes obtenues ne sont plus soumises à la pression lithostatique, et s'érodent à la surface du sol. La DST est appliquée aux diagraphies, et l'intervalle d'incertitude de DST est construit. Tandis que la VRmf des diagraphies GR, RHOB, NPHI et DT est ~60 cm, la VRmf de l'intervalle d'incertitude est ~15 cm. Or, on a perdu l'incertitude de la valeur de diagraphie, alors que la VRmf est devenue plus précise. Les diagraphies ont été ensuite corrigées entre l'intervalle d'incertitude de DST avec quatre simulateurs. Les hautes fréquences sont amplifiées dans les diagraphies corrigées, et l'effet des épaules de couche est réduit. La méthode proposée est vérifiée dans les cas synthétiques, la boite de carottage et la porosité de carotte. L'analyse de partitionnement est appliquée aux diagraphies NPHI, RHOB et DT en vue de trouver l'intervalle d'incertitude, basé sur les grappes. Puis, le NPHI est calibré par la porosité de carottes dans chaque grappe. Le √MSE de NPHI calibré est plus bas par rapport aux cinq modèles conventionnels d'estimation de la porosité (au minimum 33% d'amélioration du √MSE). Le √MSE de généralisation de la méthode proposée entre les puits voisins est augmenté de 42%. L'intervalle d'incertitude de la porosité est exprimé par les nombres flous. L'arithmétique floue est ensuite appliquée dans le but de calculer les nombres flous de la saturation irréductible en eau et de la perméabilité. Le nombre flou de la saturation irréductible en eau apporte de meilleurs résultats en termes de moindre sous-estimation par rapport à l'estimation nette. Il est constaté que lorsque les intervalles de grappes de porosité ne sont pas compatibles avec la porosité de carotte, les nombres flous de la perméabilité ne sont pas valables. / In the subsurface geology, characterization of geological beds by well-logs is an uncertain task. The thesis mainly concerns studying vertical resolution of well-logs (question 1). In the second stage, fuzzy arithmetic is applied to experimental petrophysical relations to project the uncertainty range of the inputs to the outputs, here irreducible water saturation and permeability (question 2). Regarding the first question, the logging mechanism is modelled by fuzzy membership functions. Vertical resolution of membership function (VRmf) is larger than spacing and sampling rate. Due to volumetric mechanism of logging, volumetric Nyquist frequency is proposed. Developing a geometric simulator for generating synthetic-logs of a single thin-bed enabled us analysing sensitivity of the well-logs to the presence of a thin-bed. Regression-based relations between ideal-logs (simulator inputs) and synthetic-logs (simulator outputs) are used as deconvolution relations for removing shoulder-bed effect of thin-beds from GR, RHOB and NPHI well-logs. NPHI deconvolution relation is applied to a real case where the core porosity of a thin-bed is 8.4%. The NPHI well-log is 3.8%, and the deconvolved NPHI is 11.7%. Since it is not reasonable that the core porosity (effective porosity) be higher than the NPHI (total porosity), the deconvolved NPHI is more accurate than the NPHI well-log. It reveals that the shoulder-bed effect is reduced in this case. The thickness of the same thin-bed was also estimated to be 13±7.5 cm, which is compatible with the thickness of the thin-bed in the core box (<25 cm). Usually, in situ thickness is less than the thickness of the core boxes, since at the earth surface, there is no overburden pressure, also the cores are weathered. Dempster-Shafer Theory (DST) was used to create well-log uncertainty range. While the VRmf of the well-logs is more than 60 cm, the VRmf of the belief and plausibility functions (boundaries of the uncertainty range) would be about 15 cm. So, the VRmf is improved, while the certainty of the well-log value is lost. In comparison with geometric method, DST-based algorithm resulted in a smaller uncertainty range of GR, RHOB and NPHI logs by 100%, 71% and 66%, respectively. In the next step, cluster analysis is applied to NPHI, RHOB and DT for the purpose of providing cluster-based uncertainty range. Then, NPHI is calibrated by core porosity value in each cluster, showing low √MSE compared to the five conventional porosity estimation models (at least 33% of improvement in √MSE). Then, fuzzy arithmetic is applied to calculate fuzzy numbers of irreducible water saturation and permeability. Fuzzy number of irreducible water saturation provides better (less overestimation) results than the crisp estimation. It is found that when the cluster interval of porosity is not compatible with the core porosity, the permeability fuzzy numbers are not valid, e.g. in well#4. Finally, in the possibilistic approach (the fuzzy theory), by calibrating α-cut, the right uncertainty interval could be achieved, concerning the scale of the study.