Cette thèse en économie de l'énergie et de l'environnement étend le modèle de Hotelling du type exploration-extraction avec contraintes géologiques d’Okullo, Reynes et Hofkes (2015), afin de prendre en compte des trajectoires en forme de cloche pour l’ajout de réserves empiriquement observées par Laherrère (2003). Le modèle LOGIMA proposé (Images à Long terme sur le Pétrole et le Gaz) explique qu’elles sont la conséquence de « sweet spots » géologiques : des zones privilégiées où la concentration d’hydrocarbures est la plus élevée. Le modèle LOGIMA a été calibré sur une base de données issues couvrant les sept principaux bassins de pétrole et de gaz non-conventionnels du pays. Les résultats indiquent que la nécessité d’apprentissage par la pratique pour découvrir l’emplacement des sweet spots conduit à une mise en œuvre d’un effort d’exploration également en forme de cloche, ce qui permet de réduire le risque des activités d’exploration. Par conséquent, la réponse en termes des volumes offerts par les producteurs à des chocs sur les prix dévient fonction de l’ensemble des ressources mondiales antérieurement découvertes. Ensuite, nous appliquons le modèle LOGIMA pour étudier l’impact causé par l’offre de pétrole et de gaz naturel « non-conventionnels » aux États-Unis, sur les efforts mondiaux d’atténuation du changement climatique. Nous y parvenons en associant les scénarios à long-terme générés par LOGIMA avec le modèle d’évaluation intégrée, IMACLIM-R. Cette étude analyse comment des différentes cibles de prix de pétrole affecteraient son offre aux États-Unis. Nous estimons cette interaction au moyen de trois cadres de politiques en matière de climat : le cadre « business as usual » (BAU), les contributions décidées à l’échelle nationale (NDC) et les scénarios de 2°C (2DS). Les résultats de l’exercice indiquent que les approvisionnements non-conventionnels sont fortement susceptibles d’affecter les marchés énergétiques mondiaux, mais leur impact sur les émissions mondiales de gaz à effet de serre serait limité, car les différents effets déclenchés dans des différents secteurs viendraient les équilibrer approximativement. / This thesis in energy and environmental economics extends the geological Hotelling-type extraction-exploration model from Okullo, Reynes and Hofkes (2015) in order to account for the bell-shaped reserve additions that were empirically observed by Laherrère (2003). The proposed model explains them as the result of geological “sweet spots”: premium areas within geological formations where the concentration of hydrocarbons is highest. The proposed theoretical formulation was programmed into the mathematical model LOGIMA – “Long-term Oil and Gas Images” – and calibrated on data covering the seven main unconventional oil and gas plays in the United States. Results indicate the need to learn the location of sweet spots through trial and error drillings leads to schedules of exploratory effort that allow the optimal “de-risking” of exploratory activities. As a result, the optimal response of producers to price shocks becomes contingent on the prevailing level of cumulative discoveries.We apply LOGIMA to investigate the impact, caused by the recent advent of large-scale supplies of unconventional oil and gas, in the United States, on the ongoing efforts to mitigate climate change. We do so by soft coupling long-term scenarios from LOGIMA with the integrated assessment model, IMACLIM-R, a recursive, computable general equilibrium model of integrated global energy, economy and environment systems. We analyze how different price targets, potentially pursued by the Organization of Petroleum Exporting Countries (OPEC), would affect supplies of unconventional oil and gas from the United States. We control this interplay under three climate policy frameworks: business as usual (BAU), nationally determined contributions (NDCs) and 2°C scenario (2DS). The results of the exercise show that, despite having a significant potential to affect global energy markets, unconventional oil and gas supplies would have a limited potential to affect global cumulative greenhouse gas emissions to 2040, as the different effects triggered in different sectors approximately balanced each other out.

La surface terrestre est affectée par de nombreux processus locaux tels que des événements volcaniques, des glissements de terrain ou des tremblements de terre. Parallèlement à ces processus naturels, les activités anthropiques, y compris l’extraction et le stockage des ressources profondes (par exemple, les minéraux ou les hydrocarbures) façonnent la Terre à différentes échelles spatiales et temporelles. Ces mécanismes produisent une déformation du sol qui peut être détectée par divers instruments et techniques géodésiques tel que le GNSS, l’InSAR, les inclinomètres. Le but de cette thèse est de développer un outil numérique permettant l’inversion conjointe de multiples données géodésiques associées à la déformation de la plaque ou au changement de contrainte volumique en profondeur. Quatre types d’applications sont ciblés: la déformation intersismiques des plaques, la déformation des volcans, l’exploitation minière profonde et l’extraction de pétrole et de gaz. Différentes complexités du modèle inverse ont été considérées: le niveau I considère un seul type de données géodésiques avec un processus indépendant du temps. Une application est réalisée avec l’inversion des données GPS à travers le sud de la Californie pour déterminer les variations latérales de la rigidité lithosphérique (Furst et al., 2017). Le niveau II représente également un seul type de données géodésiques mais avec un processus dépendant du temps. La détermination conjointe de l’historique des changements de contrainte et des paramètres de dérive d’un réseau d’inclinomètres est étudiée à l’aide d’un exemple synthétique (Furst et al., soumis). Le niveau III considère différents types de données géodésiques et un processus dépendant du temps. Un réseau fictif combinant des données GNSS, InSAR, inclinométriques et de nivellement est défini pour calculer le changement de volume dépendant du temps d’une source profonde de déformation. Une méthodologie pour implémenter ces différents niveaux de complexité est développée dans un seul logiciel. Parce que le problème inverse peut être mal posé, la minimisation de la fonctionnelle peut produire plusieurs minima. Par conséquent, un algorithme d’optimisation global est utilisé (Mohammadi and Saïac, 2003). Le problème direct est traité en utilisant un ensemble de modèles élastiques numériques et analytiques permettant de modéliser les processus de déformation en profondeur. Grâce à ces développements numériques, des avancées concernant les problèmes inverses en géodésie devraient être possibles telle que l’inversion jointe de différents types de données géodésiques acquises lors de la surveillance des volcans. Dans cette perspective, la possibilité de déterminer par inversion les paramètres de dérive des inclinomètres permettrait une détermination précise des sources de déformation profondes. En outre, la méthodologie développée peut être utilisée pour une surveillance précise de la déformation des réservoirs de pétrole et de gaz. / The Earth’s surface is affected by numerous local processes like volcanic events, landslides or earthquakes. Along with these natural processes, anthropogenic activities including extraction and storage of deep resources (e.g. minerals, hydrocarbons) shape the Earth at different space and time scales. These mechanisms produce ground deformation that can be detected by various geodetic instruments like GNSS, InSAR, tiltmeters, for example. The purpose of the thesis is to develop a numerical tool to provide the joint inversion of multiple geodetic data associated to plate deformation or volume strain change at depth. Four kinds of applications are targeted: interseismic plate deformation, volcano deformation, deep mining, and oil & gas extraction. Different inverse model complexities were considered: the I-level considers a single type of geodetic data with a time independent process. An application is made with inverting GPS data across southern California to determine the lateral variations of lithospheric rigidity (Furst et al., 2017). The II-level also accounts for a single type of geodetic data but with a time-dependent process. The joint determination of strain change history and the drift parameters of a tiltmeter network is studied through a synthetic example (Furst et al., submitted). The III-level considers different types of geodetic data and a timedependent process. A fictitious network made by GNSS, InSAR, tiltmeters and levelling surveys is defined to compute the time dependent volume change of a deep source of strain. We develop a methodology to implement these different levels of complexity in a single software. Because the inverse problem is possibly ill-posed, the functional to minimize may display several minima. Therefore, a global optimization algorithm is used (Mohammadi and Saïac, 2003). The forward part of the problem is treated by using a collection of numerical and analytical elastic models allowing to model the deformation processes at depth. Thanks to these numerical developments, new advances for inverse geodetic problems should be possible like the joint inversion of various types of geodetic data acquired for volcano monitoring. In this perspective, the possibility to determine by inverse problem the tiltmeter drift parameters should allow for a precise determination of deep strain sources. Also, the developed methodology can be used for an accurate monitoring of oil & gas reservoir deformation.

Cette thèse entre dans le cadre de la synthèse d'images de paysages s'appuyant sur une nouvelle modélisation des terrains par simulation dynamique de processus géomorphologiques. La restitution des phénomènes naturels agissant sur la création et l'évolution des reliefs semble un des moyens les plus sûrs pour obtenir des paysages réalistes. Après une présentation des différentes modélisations de terrain existantes, le modèle proposé est détaillé. Il s'appuie sur la création de terrains géologiquement contrastés sur lesquels sont appliqués des processus déterministes d'érosion. Le relief est constitué d'une surface topographique à laquelle est associée la représentation volumique d'un sous-sol, qui permet de déterminer en chaque point des paramètres géologiques intervenant dans la simulation. Celle-ci suit une méthode itérative utilisant des lois simulant l'érosion gravitaire et mécanique, la dissolution chimique et la sédimentation. L'écoulement et le transport de matière entre les points s'effectuent par le biais d'un graphe de parcours qui traduit la structure du réseau hydrographique. La simulation implique l'évolution (altimétrique et géologique) du relief et la création du réseau associé. Deux algorithmes de rendu sont ensuite proposés pour visualiser le relief modélisé. Ils incluent la représentation du réseau hydrographique et des lignes de crête. Le réalisme des images est accru par le plaquage sur le relief de textures naturelles de végétation, générées par une technique de spot noise et l'ajout d'effets visuels.

Ce travail concerne la stratigraphie , la tectonique du massif et son évolution géologique ( 1954). Des itinéraires géologiques sont proposés.

Ce travail prend place au sein d'une recherche sur la modélisation 3d des scènes géologiques. Son apport spécifique est le suivant: 1) une réflexion générale est menée sur la géométrie des principaux types de corps géologiques ; 2) une réflexion est également menée, au vu notamment des travaux réalisés antérieurement ; 3) à la suite de cette réflexion d'ensemble, nous centrons la réflexion sur un problème particulier: celui de la modélisation d'objets de forme quelconque susceptibles d'être déformés ou d'être composés entre eux. Nous montrons que la question essentielle sous-jacente a une modélisation est celle du choix d'une structure de données ; 4) définition d'une structure hybride, l'arbre BSP mixte ; 5) au terme de la réflexion, nous avons construit le logiciel granite.

L'amortissement des déplacements et des déformations de l'avant-pays d'une chal ne de collision est étudié grâce à l'utilisation conjointe de plusieurs méthodes. Les déformations à l'échelle de l'affleurement sont analysées par des mesures microstructurales. Les déplacements horizontaux et les déformations à l'échelle des méga-structures sont quantifiés par l'analyse des bilans géométriques d'une coupe. Les déplacements verticaux du socle sont étudiés grâce à un modèle de flex ion d'une plaque Iithosphérique. La zonation des déformations de la couverture est reliée, grâce à des modèles mécaniques à l'influence respective des forces de surface et des forces de volume. Chacune de ces méthodes est d'abord présentée, puis détaillée de manière à faire partie d'une méthode d'aide à la conception de coupes géologiques, basées sur l'utilisation d'un micro-ordinateur. Le problème des relations entre la formation du Jura et celle des Alpes est ensuite étudié. Différentes hypothèses sur la genèse du Jura sont analysées grâce aux méthodes présentées précédemment. Ce travail conduit à exclure certaines d'entreelles, et à proposer un schéma cinématique et dynamique compatible avec les observations structurales et stratigraphiques, les données géophysiques disponibles, et les résultats de modèles. mécaniques. Si la déformation du Jura interne peut correspondre à un chevauchement Alpin propagé jusqu'à cette région périphérique par le décollement généralisé de la couverture du bassin molassique, la déformation du Jura Externe ne peut être reliée de la même manière à la formation des Alpes, et doit être expli- . quée par une tectonique du socle, liée aux régimes successifs d'extention (formation des fossés Bressan et Rhénan) et de corn· pression (formation des Alpes) qui se produisent régionalement.

Les systèmes géothermiques de surface extraient l’énergie du sol via un fluide caloporteur circulant dans un échangeur pour une profondeur ne dépassant pas 200 m. Deux typologies d’échangeurs sont généralement utilisées : les systèmes avec échangeurs verticaux, principalement affectés par les conditions géologiques ; et les échangeurs horizontaux, plus proches de la surface du sol, impactés essentiellement par les conditions climatiques. Dans le sol, les échanges thermiques sont majoritairement des transferts de chaleur par conduction. Ainsi, les propriétés thermo-physiques du sol influencent la quantité d’énergie extraite par les échangeurs. Afin de quantifier les propriétés thermo-physiques d’un sol sous l’influence des conditions géologiques et climatiques, deux dispositifs expérimentaux sont élaborés, conçus, instrumentés et validés au sein de notre laboratoire. Les résultats expérimentaux enrichissent les connaissances scientifiques sur le comportement hydrique d’un sol soumis à des événements pluvieux et l’impact de la contrainte verticale sur les propriétés thermo-physiques d’un sol. De plus, une étude numérique, à partir d’une modélisation 2D par éléments finis d’un échangeur airsol, évalue les performances énergétiques de ce dernier en fonction de différentes humidifications du sol et différents scénarios de pluie. Les résultats numériques révèlent ainsi l’intérêt d’utiliser un sol d’enrobage très humide pour accroître significativement les performances énergétiques d’un échangeur air-sol. / Surface geothermal systems extract energy from the ground via a fluid circulating in an exchanger at a depth not exceeding 200 m. Two typologies of exchangers are generally used: systems with vertical exchangers, mainly affected by geological conditions; and horizontal exchangers, closer to the surface of ground, impacted mainly by weather conditions. Thermal exchanges in the soil are mainly conduction heat transfers. Thus, thermo-physical properties of soil influence, mostly, energy extracted by exchangers. In order to quantify influence of geological and meteorological conditions on thermo-physical properties of soil, two experimental devices are developed, designed, instrumented and validated. The experimental results provide more appropriate scientific knowledge on hydric behavior of a soil subjected to rain events and influence of compactness on thermal properties of soil. In addition, one numerical study, based on a finite element 2D modeling of an earth-air heat exchanger, evaluates their energy performance under different soil moisture conditions and rain scenarios thus revealing the utility of water to significantly improve its performance.

Depuis leur formation, les surfaces des corps de notre Système Solaire montrent une diversité étonnante. Cette diversité est le reflet des processus géologiques qui ont modelé les surfaces planétaires au cours du temps. Parmi les objets du Système Solaire, Mars constitue un objet particulièrement intéressant car il présente de nombreuses similitudes avec notre planète. La minéralogie de la surface de Mars est bien documentée. Cependant, on dispose de peu d'information sur les paramètres physiques des matériaux qui sont également des traceurs des processus géologiques. Un des objectifs de cette thèse est de développer et de valider un outil permettant leur détermination à partir de techniques d'investigation spatiale depuis l'orbite et d’interpréter les résultats. Pour cela, une approche basée sur la photométrie, qui étudie les propriétés de diffusion des matériaux de surface, a été développée et validée. Ces propriétés de diffusion dépendent de la composition mais aussi des propriétés physiques des matériaux comme la taille, la forme, la structure interne, la rugosité des grains et la rugosité de la surface. Les données hyperspectrales multi-angulaires CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (11 images prises à des angles d'émergence variés) ont été utilisées, permettant de contraindre le comportement de diffusion des matériaux de surface. Tout d'abord, les données sont corrigées de la contribution atmosphérique à l'aide de l'algorithme nommée MARS-ReCO (Multi-angle Approach for Retrieval of Surface Reflectance for CRISM Observations), développé en collaboration avec Xavier Ceamanos et Sylvain Douté (IPAG) au cours de la thèse. Puis, les données de réflectance de surface à différentes géométries sont analysées en inversant à l’aide d’une approche bayésienne le modèle photométrique de Hapke qui décrit le transfert radiatif en milieu granulaire. Ce modèle dépend de six paramètres photométriques de surface (e.g., albédo de diffusion, fonction de phase, rugosité macroscopique de la surface), reliés aux propriétés physiques des matériaux comme la taille, la structure interne, la forme, la rugosité des grains, et la rugosité de la surface.Une première application a été menée au niveau des sites d'atterrissage des rovers de la mission Mars Exploration Rover, où des données orbitales et in situ sont disponibles. Ces dernières sont utilisées comme «vérité terrain» pour valider les interprétations des paramètres photométriques estimés. Dans ce travail, des cartes des paramètres photométriques ont été fournies le long et autour du trajet des rovers permettant d'avoir accès aux informations des propriétés des matériaux sur une étendue plus importante que les données in situ. Une interprétation de chacun des paramètres et un lien aux propriétés physiques et aux processus géologiques ont été fournis. Les résultats montrent des propriétés de diffusion variés au sein d'une observation CRISM (10x10km) suggérant que les surfaces sont contrôlées par des processus géologiques plus locaux (e.g., processus éoliens, fragmentation de la croûte par impact).Une dernière partie se focalise sur la détermination des propriétés de diffusion des matériaux de surface de différents terrains géologiques formés dans des contextes différents. Le but est d'identifier les variabilités des propriétés de diffusion à travers Mars / The PhD work focuses on the characterization of geological processes on planetary surfaces. Due to the lack of broad scale in situ information about the surface physical properties of the Martian materials (recording the geological processes), my work centers on the development and validation of an approach for their estimation from orbital spaceborne datasets. In addition, determining the physical properties has an implication for the spectroscopic interpretation notably for the mineral abundances. More specifically, I developed an approach for the determination and the analysis of the Martian surface scattering properties using CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) observations [Murchie et al., 2007] on-board MRO (Mars Reconnaissance Orbiter). CRISM provides multi-angular (varied emission angles) hyperspectral images which allow the characterization of the surface scattering behavior at ∼200m/pixel. The scattering behavior depends on the material composition but also the physical properties such as the grain size, shape, internal structure, and the surface roughness / porosity. The main objective is to observe the spatial variations of the surface scattering properties and the photometric parameters as a function of geological units.The methodology I employ is based on the estimation of the surface photometric parameters in term of surface physical properties. After an atmospheric correction (aerosols) by the Multi-angle Approach for Retrieval of the Surface Reflectance from CRISM Observations (MARS-ReCO) [Ceamanos et al., 2013] developed in collaboration with X. Ceamanos and S. Douté (IPAG, France), I analyze the surface reflectance taken at varied geometries by inverting the Hapke photometric model [Hapke, 1993] depending on six parameters (single scattering albedo, 2-term phase function, macroscopic roughness and 2-term opposition effects parameters) in a Bayesian framework [Fernando et al., 2013]. The algorithm for the correction for the aerosols and the methodology for the estimates of surface photometric parameters have been validated by comparing the results from orbit to the in situ photometric measurements from Mars Exploration Rover (MER) rovers [Fernando et al. 2013].The MER landing sites located at Gusev Crater and Meridiani Planum provide an excellent opportunity to ground truth and validate the interpretation of derived Hapke photometric parameters as both orbital and in situ data are readily available over numerous geological terrains. Orbital results are consistent with the in situ observations. In my work, I mapped the surface scattering properties in and around the rover path, providing extended information over a wider area. Significant variations in the scattering properties are observed inside a CRISM observation (10x10km) suggesting that the surfaces are controlled by local geological and climatic processes [Fernando et al., in revision].The last part of this work focuses on the determination of the surface photometric parameters of different Martian geological terrains under different contexts in order to identify variabilities of the scattering properties

Cette thèse traite de l’enregistrement de la déformation, à différentes échelles de temps et d’espace dans la chaîne plissée de Malargüe et le bloc de San Rafael, situés dans la partie septentrionale du bassin de Neuquén en Argentine. La première partie du travail comprend une analyse de la déformation finie (chaîne de Malargüe) et de la déformation active (bloc de San Rafael) à l’échelle macroscopique. De manière générale, les coupes structurales régionales proposées mettent clairement en évidence le rôle l’héritage structural lié aux structures générées lors de l’ouverture du bassin au Jurassique. Nous montrons également que les mécanismes de soulèvement actuels du bloc de San Rafael à l’est reprennent les modalités de la déformation d’âge Miocène dans la chaîne. Contrairement au mode de structuration des prismes critiques classiques caractérisés par la localisation de la déformation le long d’un niveau de décollement, la structuration de la chaîne est ici issue d’une déformation distribuée plus largement dans la lithosphère. A l’échelle de l’endommagement mesoscopique, la fracturation régionale nous a permis d’enregistrer les différents champs de contraintes régionaux liés aux phases de raccourcissement depuis le domaine pré-plissement jusqu’à la phase syn-plissement. Ces différentes phases sont en accord avec la cinématique de la convergence de la plaque Nazca depuis le Crétacé supérieur. A l’échelle microscopique, l’analyse des propriétés de susceptibilité magnétique des roches met en évidence, d’une part, une compartimentalisation de la déformation à l’échelle de la matrice liée à l’héritage structural extensif. D’autre part, la distribution spatiale de cet endommagement ne démontre pas l’existence de gradient clair des fabriques magnétiques depuis l’avant-pays vers les zones internes ce qui confirme le caractère atypique du système Andin à la latitude de 35°S. Ce dernier étant principalement contrôlé par une déformation distribuée, liée à l’héritage structural et singulièrement différente de celle attendu dans le cadre de la théorie du prisme critique. / This PhD project deals with multiscale record of the tectonic signal in the Malargüe fold-and-thrust-belt (MFTB) located in the northern part of the Neuquén basin (Argentina). The first results presented rely on the study of the macroscopic finite strain in the fold-belt and the characterization of the active deformation of the San Rafael Block uplift. The cross-sections we produce show that structural inheritance related to the Jurassic extension is the main parameter controlling the belt structure. In addition we proposed that the building mechanisms that controlled the MFTB evolution by Miocene times are the same than those triggering the present day San Rafael block uplift. The second part of this work is dedicated to mesoscopic strain pattern analysis recorded by fracture networks. Throughout the MFTB, we are able to describe the occurrence of four main fractures sets emplaced in several stress regime that are linked (1) to the inheritance and (2) to the well-known compression phases from pre-folding to syn-folding settings. Finally the third part of this work describes the microscopic damage recorded by the anisotropy of magnetic susceptibility method. We mainly evidence that there is no clear gradient of magnetic fabrics from foreland to hinterland and that deformation is compartmentalized by structural inheritance. This atypical pattern of magnetic fabrics succession reveals that the matrix damage is governed by the same strain distribution as those observed at macroscopic scale thus providing a supplementary argument to consider the Andean system at these latitudes as singularly different from a classical Coulomb wedge.

A partir d’un ensemble de données interprétées et issues d’une analyse préalable par un opérateur expert (horizons, failles), l’objectif de la thèse est de proposer une segmentation d’une image sismique sous-jacente en parfaite cohérence avec les lois de la géologie. L’originalité de la démarche consistera à développer des techniques de segmentation d’images sismiques, entre autres basées sur des approches de type contours actifs, contraintes par des données interprétées en supplément de propriétés intrinsèques calculées par des procédés automatiques à partir de la donnée traitée sans nécessiter une quelconque supervision contrairement aux travaux existants. Un deuxième axe consistera à ordonnancer automatiquement les horizons (surfaces) interprétés et analyser finement chaque intervalle (le lieu existant entre deux horizons), en prenant en compte son contenu (amplitude, orientation, etc.). Tout cela aboutissant à la reconstruction du pseudo-temps géologique. / The objective of the thesis is to propose a segmentation of an underlying seismic image in perfect coherence with the results of a preliminary analysis by an expert (horizons, faults). laws of geology. The originality of the approach will be to develop techniques for segmenting seismic images, among others based on active contour type approaches, constrained by data interpreted in addition to intrinsic properties calculated by automatic processes from the data processed without requiring any supervision in contrast to existing work. A second axis will be to automatically schedule the horizons (surfaces) interpreted and to analyze each interval (the place between two horizons) finely, taking into account its content (amplitude, orientation, etc.). All this resulted in the reconstruction of the geological pseudo-time.