Dans la province aurifère du Mont Rose, le district de Challant représente une entité géologique calquée sur l'îlot de gneiss paléozoïques d'Arcesa entouré par la nappe des Schistes Lustrés à ophiolites; le district s'étend au Sud de l'accident majeur de Ranzola, limitant les gneiss dans leur partie Nord . Il s'agit de filons épigénétiques dont la mise en place se serait effectuée entre 50 et 30 Ma . Ces filons, au nombre d'une centaine, sont soit de type à quartz et or natif, pauvres en sulfures (type Fenillaz à teneur en or moyenne de 12 g/t), soit de type à quartz et pyrite (type Bêchaz à teneur en or moyenne de 7g/t) . Les réserves en or probables sont estimées à 1 t et les réserves possi les à 5 t. L'utilisation de différentes méthodes d'analyse (dont la spectrométrie de masse à étincelles) permet de dresser l ' inventaire des éléments majeurs,mineurs et en traces présents dans les gneiss , les quartz filoniens, l'or natif, les listvénites et les pyrites provenant de filons différents. Il est possible de différencier les pyrites aurifères des non aurifères par leur composition en éléments en traces. Quelques éléments, dont Sb, As, Ag,Cu, Hg, Pb, Bi, Te seraient susceptibles d'être accompagnateurs de l'or dans ce district, et leur utilisation en prospection systématique en sols est proposée pour l'avenir . La synthèse des données géologiques, gîtologiques permet d'envisager pour l'or du district de Challant une origine par sécrétion métamorphique.

Ce travail propose des solutions innovantes en vue de l'exploitation des modèles d'ingénierie hétérogènes. Il prend pour exemple le domaine de la prospection pétrolière. Les stratégies de prospection sont élaborées à partir de représentations tridimensionnelles du sous-sol appelées modèles géologiques. Ceux-ci reposent sur un grand nombre de données hétérogènes générées au fur et à mesure de la conduite de l'exploration par des activités telles que la prospection séismique, les forages, l'interprétation des logs de puits. A fin d'optimisation, les utilisateurs finaux souhaitent, pouvoir retrouver et réutiliser à tout moment les données et les interprétations attachés aux différents modèles successivement générés. Les approches d' intégration des connaissances susceptibles d'être mises en œuvre pour résoudre ce défi, doivent être dissociées aussi bien des sources et des formats de données que des outils logiciels en constante évolution. Pour cela, nous proposons d'utiliser l'annotation sémantique, technique courante du Web sémantique permettant d'associer la connaissance à des ressources au moyen d' "étiquettes sémantiques". La sémantique ainsi explicitée est définie par un certain nombre d' ontologies de domaine, qui, selon la définition classique, correspondent à autant "de spécifications formelles de la conceptualisation" des domaines considérés. En vue d'intégrer les modèles d'ingénierie considérés, nous proposons une architecture, qui permet de relier des concepts appartenant respectivement à des ontologies locales et à une ontologie globale. Les utilisateurs peuvent ainsi avoir une vision globale, intégrée et partagée de chacun des domaines impliqués dans chaîne de modélisation géologique. Un prototype a été développé qui concerne la première étape de la chaîne de modélisation (interprétation séismique). Les expérimentations réalisées prouvent que, grâce à l'approche proposée, les experts peuvent, en utilisant le vocabulaire de leur domaine d'expertise, formuler des questions et obtenir des réponses appropriées.

Le dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat), a qualifié de très vraisemblable la responsabilité des activités humaines sur l'évolution de la température moyenne à la surface de la Terre, constatée depuis le début du vingtième siècle. Les émissions atmosphériques anthropiques, issues de la combustion des énergies fossiles, sont responsables chaque année de l'émission de quantités de plus en plus importantes de gaz à effet de serre, et notamment de dioxyde de carbone.<br /><br />Afin d'être en mesure de respecter les engagements pris en matière de réduction des émissions atmosphériques, tout en permettant la poursuite raisonnée de l'exploitation des énergies fossiles, notamment pour les pays en plein développement économique, il est envisagé de stocker (séquestrer) le dioxyde de carbone produit au niveau de grandes plates-formes industrielles, dans des réservoirs géologiques, c'est-à-dire des roches poreuses et perméables. Bien qu'étant inspirée de nombreux exemples naturels, la séquestration géologique du dioxyde de carbone doit être étudiée en termes de faisabilité et d'intérêt, l'objectif étant de piéger durablement les gaz stockés.<br /><br />Dans le cadre de ce doctorat, nous nous sommes concentrés sur la surveillance des sites de séquestration, afin d'être en mesure de contrôler la stabilité et l'efficacité des stockages géologiques dans le temps, et de détecter le plus rapidement possible les éventuelles fuites. Notre travail a consisté à développer une méthodologie de surveillance reposant sur l'étude des gaz rares. Nous avons été amenés à concevoir un nouvel outil pour l'analyse des gaz rares dissous dans des échantillons d'eau, la ligne Garodiox, puis à valider cet instrument sur l'étude d'un lac de cratère volcanique, le lac Pavin en Auvergne (France). Enfin, nous avons choisi d'illustrer la méthodologie de surveillance que nous proposons, à l'aide du contrôle de l'intégrité de l'accumulation naturelle de dioxyde de carbone de Montmiral, dans le département de la Drôme (France).<br /><br />Les résultats obtenus soulignent la faisabilité et l'intérêt de la mise en place d'une telle méthodologie de surveillance au droit des sites de séquestration géologique du dioxyde de carbone.

La sorption de CO2 et de CH4 dans des charbons a été caractérisée au laboratoire afin d'étudier la faisabilité du stockage géologique de CO2 dans les veines de charbon. La diffusion et la sorption de CO2 et de CH4 sur des charbons du bassin de Lorraine et du bassin de Gardanne ont été étudiées par une méthode gravimétrique jusqu'à une pression de 5 MPa et pour des températures variant de 283 à 333 K. La cinétique de sorption dépend du gaz utilisé, de la granulométrie, de la pression en gaz et de la température. Elle peut être représentée par un modèle unipore basé sur la loi de Fick. Le coefficient de diffusion de CO2 dans le charbon est supérieur à celui du CH4 et est d'environ 10–12 m2 s–1, valeur de diffusion assez faible. A l'équilibre, la température, la pression, le gaz utilisé, la composition des charbons et la teneur en eau sont des paramètres qui influencent la capacité de sorption sur les charbons. Le charbon du bassin de Lorraine possède une plus grande capacité de sorption de CO2 (1,6 mmol g–1, soit ~ 36 m3 t–1) que celle du charbon du bassin de Gardanne. Le modèle de Dubinin-Astakhov basé sur un remplissage volumique des pores, rend mieux compte de la sorption de CO2 et CH4 que les modèles de Dubinin-Radushkevich et de Langmuir. Par ailleurs, les mécanismes de sorption de l'eau sur le charbon ont été mis en évidence, permettant de mieux interpréter l'influence de l'eau sur la capacité de sorption des gaz. A partir de l'ensemble des résultats, une évaluation des possibilités de stockage est discutée. Il en ressort la nécessité d'études complémentaires dans le but d'améliorer la perméabilité de la veine à l'échelle du site de stockage pour permettre une meilleure injectivité du gaz / The CO2 and CH4 sorption onto coals has been characterized in laboratory in order to study the feasibility of CO2 geological storage in coal seams. The diffusion and sorption of CO2 and CH4 on coals of Lorraine and Gardanne basins have been performed from a gravimetric method until a pressure of 5 MPa and for temperatures from 283 to 333 K. The kinetics of sorption depends on the nature of gas, the grain size of coal, the gas pressure and the temperature. It can be represented by a unipore model based on Fick's law. The CO2 diffusion coefficient on coal is higher than that of CH4 and is about 10–12 m2 s–1. At equilibrium, the temperature, pressure, nature of gas, composition of coal and water content are parameters that influence the sorption capacity of coals. The coal of Lorraine basin has a greater capacity for sorption of CO2 (1.6 mmol g–1, ~ 36 m3 t–1) than that of coal of Gardanne basin. The model of Dubinin-Astakhov based on a pore volume filling, has a best fit of sorption data that Dubinin-Radushkevich and Langmuir models. Finally, the different mechanisms of water sorption on coal have been identified and can better interpret the influence of moisture on the gas sorption capacity. From all results, an assessment of capacity storage is discussed. This indicates the need for further studies in order to improve the permeability of the coal seams across the storage site for better gas injectivity

La démarche d’intégration des hétérogénéités dans les modèles réservoirs en est à ses prémices dans le domaine du stockage géologique de CO2. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse. Un protocole d’analyse depuis l’étude de terrain jusqu’aux simulations réservoirs a été établi. La caractérisation du Minjur Sandstone (formation Triasique d’Arabie Centrale) met en avant le caractère crucial de la connectivité des corps dans l’architecture du réservoir, notamment en liant génétiquement leur nature, leur connectivité et leur position dans la séquence de dépôt. S’appuyant sur la connaissance de cette formation, un modèle conceptuel est construit, puis reproduit stochastiquement par un algorithme permettant l’élaboration de modèles conditionnés par une histoire sédimentaire. Le protocole prévoit la création de 50 scénarios illustrant divers degrés de connectivité ; chaque scénario étant composé de deux modèles de même architecture mais à remplissage sédimentaire différent. Cette approche permet d’appréhender (a) l’impact de la connectivité et (b) des hétérogénéités sédimentaires sur les performances réservoirs. L’estimation de capacité par l’approche statique des volumes disponibles estime une capacité moyenne d’environ 13Mt (aquifère semi-infini de 25 km par 25 km et 60m d’épaisseur à 1000 m de profondeur). Les hétérogénéités internes (sédiments argileux appelés oxbow lakes) entraînent une différence de capacité de 30%. Les simulations dynamiques confirment ces résultats et révèle une variabilité de capacité de 23% liée la connectivité des corps. De plus les hétérogénéités réduisent la migration verticale du gaz ce qui peut augmenter l’intégrité du stockage. / In the CO2 storage context, heterogeneity has only been rarely considered in reservoir models to date. To address this key issue, the project aims at developing a workflow that manages the heterogeneity from the field observations up to the reservoir simulation. The characterisation of the Minjur Sandstone (a Triassic formation from Central Saudi Arabia) shows the crucial role of connectivity in the reservoir architecture, and the genetic link between the nature, location and connectivity of the sedimentary bodies in the sequence. Stemming from this study, a conceptual model was established and stochastically reproduced through an algorithm simulating models conditioned to a sedimentary history. Fifty scenarios were simulated, representing various connectivity degrees. Each of these scenarios is composed of two models, identical by their architecture but different in their internal sedimentary fill. This approach allows the study of the impact of the (a) reservoir bodies’ connectivity and (b) their internal sedimentary heterogeneity on the reservoir’s performances. The capacity estimates using a static calculation based on the available pore volumes reveals a mean capacity of 13 Mt (for a 25 x 25 km x 60 m semi finite aquifer at 1000m deep). The sedimentary heterogeneity (shaly deposits called oxbow lakes) is responsible for a 30% difference of capacity. The flow simulations confirm these results and show that the connectivity of the reservoir bodies creates a 23% capacity variation. Moreover, the heterogeneities tend to reduce the amount of CO2 able to reach the uppermost reservoir which may enhance the storage integrity.

TOTAL a choisi la voie du stockage géologique de CO2 en Béarn pour les fumées issues du pilote d’oxycombustion qui sont injectées dans un réservoir déplété de gaz naturel. Cependant, la mise en œuvre de cette technologie nécessite une connaissance des processus physiques, physico-chimiques et des interactions entre les phases depuis le captage jusqu’au stockage, d’autant plus que le CO2 injecté n’est pas pur. Il peut contenir par exemple quelques pourcents d’oxygène. Nous étudions plus précisément l’impact de l’injection d’un mélange de gaz (CO2 + O2) sur les roches de réservoir et de couverture en présence de saumure. A cette fin, un pilote expérimental a été développé et instrumenté pour acquérir des données thermodynamiques (solubilités et masses volumiques) et cinétiques de dégradation des roches indispensables aux modélisations et simulations thermodynamiques et réactives du système triphasique (gaz-saumure-roches) dans les conditions de stockage (T < 150°C et P < 200 bar). / TOTAL has chosen the path of geological storage of CO2 in Béarn flue gases from driver oxycombustion which are injected into a depleted natural gas reservoir. However, the implementation of this technology requires knowledge of physical processes and physico-chemical interactions between the phases from capture to storage, especially as the injected CO2 flow is not pure. It may contain a few percent of oxygen. The impact of the injection of a gas mixture (CO2 + O2) on reservoir rock and in the presence of coverage of brine is studied. An experimental pilot was developed and instrumented to acquire thermodynamic data (solubility and density) and kinetics of degradation of solids essential for modeling and simulations of thermodynamic and reactive three-phase system (gas-brine-rock) in storage conditions (T <150°C and P <200 bar).

La magnésite (MgCO3) est la forme anhydre la plus stable d'une série de carbonates de magnésium qui présentent différents degrés d'hydratation. Malgré sa rareté dans les environnements naturels, elle constitue une phase minérale fondamentale pour le piégeage minéral permanent du CO2. La détermination expérimentale des vitesses de précipitation et de dissolution de la magnésite dans des conditions représentatives de la séquestration géologique est donc fondamentale pour l'estimation du potentiel de séquestration de CO2 par cette phase dans les basaltes et dans les roches ultrabasiques et pour l'optimisation des procédés de stockage du CO2. Nous avons mesuré les vitesses de précipitation de la magnésite en utilisant des réacteurs à circulation et des réacteurs fermés, en fonction de la température (100 ≤ T ≤ 200 °C), de la composition de la solution aqueuse et de la pression partielle de CO2 (de 0 à 30 bar). Les vitesses mésurées sont indépendantes de la force ionique de la solution pour 0.1 M < I < 1.1 M, mais elles diminuent significativement avec l'augmentation de l'activité des ions CO32- pour des pH supérieures à 8. Les vitesses mesurées dans les réacteurs à circulation sont cohérentes avec le modèle de coordination chimique surfacique de Pokrovsky et al. (1999) selon lequel les vitesses de précipitation de la magnésite sont proportionnelles à la concentration des sites surfaciques >MgOH2+. L'étude des vitesses de cristallisation conduite par microscopie à force atomique hydrothermale (HAFM) a montré un bon accord entre les vitesses déduites de mesures microscopiques et les vitesses macroscopiques et a aussi démontré que la précipitation de la magnésite s'effectue selon un mécanisme de croissance spirale. Suivant les observations effectuées par AFM, ce mécanisme contrôle la vitesse de croissance de la magnésite dans un grand intervalle de température et d'indice de saturation (15≤ Ω ≤ 200 pour 80 ≤ T < 120 °C). En raison de l'inhibition de la précipitation de la magnésite par les ions carbonates, il est recommandé d'opérer sous des pressions partielles de CO2 assez élevées, ce qui présente en outre l'avantage d'accélérer la cinétique de dissolution des silicates magnésiens, grâce à l'acidification de la solution par le CO2. La détermination des vitesses de dissolution de la magnésite dans des réacteurs à circulation à 150 et 200 °C et en milieu neutre à alcalin nous a permis d'améliorer le modèle de complexation de surface et d'étendre son application aux températures considérées. La diminution des vitesses de dissolution observée de 150 à 200 °C peut être expliquée par l'augmentation, en fonction de la température, de la carbonatation et de l'hydrolyse des sites >MgOH2+ qui contrôlent la vitesse de dissolution de la magnésite. Des températures supérieures à 100 °C qui entrainent une diminution de la vitesse de dissolution de la magnésite et des autres carbonates sont donc favorables au stockage de CO2 sous forme dissoute dans les aquifères profonds riches en minéraux carbonatés. L'utilisation d'une cellule à électrodes d'hydrogène (HECC) nous a permis de préciser les données cinétiques à proximité de l'équilibre grâce à la détermination précise du produit de solubilité de la magnésite en fonction de la température (50-200 °C). De plus, ces mesures nous ont permis de générer les propriétés thermodynamiques de la magnésite et de les comparer à celles obtenues par mesures calorimétriques et par équilibres de phases. Les résultats de cette étude représentent une importante contribution à la compréhension des cinétiques de réaction des minéraux carbonatés dans les systèmes hydrothermaux et permettent de proposer une base de données essentielle pour la quantification des réactions de dissolution/précipitation des carbonates dans les systèmes complexes. En outre, ce travail fournit des contraintes cinétiques pour la modélisation géochimique des processus de séquestration du CO2 et sera utile à l'évaluation de l'impact et des risques liés au stockage de CO2 à long terme.

Dans un objectif de limitation des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, la séquestration géologique du CO2 apparait comme une solution incontournable pour lutter contre le changement climatique.<br />Le développement d'outils de surveillance fiables pour s'assurer de la pérennité et de la sécurité des stockages est un préalable à la mise en œuvre des tels sites.<br />Dans ce cadre, une méthodologie de monitoring géochimique combinant la géochimie des gaz rares et des isotopes du carbone a été testée sur des analogues naturels et industriels.<br /><br />Sur les analogues naturels de contextes géologiques variés, des comportements systématiques des paramètres géochimiques en fonction du confinement des sites ont pu être révélés, attestant de l'efficacité de ces outils en termes de détection des fuites et en tant que traceurs du comportement du CO2 dans les futurs sites de stockage. <br /><br />De plus, une expérience de traçage géochimique sur un stockage de gaz naturel a démontré qu'il est possible d'identifier les processus physico-chimiques se déroulant dans le réservoir à l'échelle humaine, renforçant l'intérêt pour l'outil proposé et apportant des informations méthodologiques sur son utilisation.

Cette thèse entre dans le cadre des recherches de l'axe II de la loi Bataille (30/12/1991) sur l'éventualité d'un stockage des déchets nucléaires de haute activité à vie longue en couches géologiques profondes. A son voisinage, la présence de microorganismes pourrait influencer la mobilité de radionucléides issus des colis de déchets. Ce travail a consisté à rechercher la présence de microorganismes autochtones dans l'argile à Opalinus du Mont Terri (Suisse) et dans l'argilite du Callovo-Oxfordien de Meuse/Haute-Marne (France). L'exploration de ces environnements jusqu'à présent peu étudiés du point de vue microbiologique indique une très faible densité cellulaire dans ces sédiments argileux, mais a néanmoins conduit à l'isolement d'espèces bactériennes nouvelles. De plus, des analyses microbiologiques ont permis la caractérisation d'une partie de la population microbienne introduite dans le laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne par la ventilation du site et l'activité humaine.

La séquestration géologique du dioxyde de carbone (CO2) et du sulfure d'hydrogène (H2S) est une solution envisagée par l'industrie pétrolière pour stocker durablement ces gaz indésirables. Elle consiste à les injecter via des puits dans des réservoirs géologiques profonds. Les puits, constitués par des tubes d'acier entourés d'une gaine de ciment, peuvent être dégradés et ainsi constituer un chemin de fuite des gaz vers la surface qui auraient des conséquences humaines et environnementales sérieuses. Diverses expérimentations en laboratoire ont simulé le vieillissement de ces deux matériaux dans des conditions de séquestration géologique. Pour ce faire, un protocole expérimental et analytique spécifique a été mis en place. La simulation numérique du vieillissement du ciment a également été abordée. Le ciment et l'acier ont été altérés au contact de diverses phases fluides à 500 bar-120°C et 500 bar-200°C : une saumure, une saumure chargée en H2S-CO2, un mélange saumure+phase supercritique à H2S-CO2 et une phase supercritique à H2S-CO2 en l'absence d'eau liquide. Dans tous ces cas, on observe deux réactions découplées : la carbonatation du ciment par le CO2 et la sulfuration de l'acier par le H2S. Il apparaît que la carbonatation est maximale et que la sulfuration est au contraire minimale au sein de la phase supercritique en l'absence d'eau liquide. Les propriétés texturales et de porosité du ciment sont peu ou pas affectées par tous les traitements à 120°C. La porosité est même réduite en présence de H2S-CO2. Par contre, à 200°C, ces propriétés sont affectées par le fait de la présence d'eau liquide dans le milieu. A cette température, seul le vieillissement du ciment au sein de la phase supercritique sans eau liquide améliore ses propriétés. Dans toutes les conditions testées, l'acier est toujours corrodé, il est donc le matériau le plus vulnérable des puits.