Tout au long d'un puits géothermique basse énergie (jusqu'à 2000 mètres de profondeur), du ciment est utilisé dans les espaces annulaires entre les tubages et les formations géologiques environnantes. Son rôle est de garantir les étanchéités, la tenue mécanique des couches et la protection du tubage. La qualité et la tenue dans le temps de ces ciments sont importantes. Compte tenu du gradient géothermique, des circulations d'eau chargée en éléments chimiques au sein de l'aquifère et des fortes contraintes dues à la profondeur, l'hydratation du ciment est susceptible d'être influencée significativement. En effet, ces facteurs peuvent à long terme contribuer à une dégradation prématurée du puits. L'objectif de ce travail est d'étudier les effets des conditions environnementales des puits géothermiques (la température, la pression et les concentrations en NaCl) sur les propriétés physiques et mécaniques des pâtes de ciment en passant par une étude microstructurale poussée. Pour cela, plusieurs coulis de ciment ont été échantillonnés sur un chantier géothermique en Ile de-France. Sur ce chantier, le coulis ciment de classe G et le coulis de ciment allégé en bentonite sont utilisés tout au long du puits. Les pâtes de ciment durcies réalisées en laboratoire ont été étudiées en utilisant une méthodologie basée sur des mesures non destructives (vitesse du son, fréquence de résonance, perméabilité) et destructives (module de Young, résistance à la compression, conductivité thermique). Les propriétés thermiques et physico-mécaniques des pâtes de ciment durcies issues de ces mesures ont été couplées à des observations microstructurales par diffraction de rayon X, par microscopie électronique à balayage et par porosimétrie par intrusion de mercure. Les résultats ont montré que les analyses microstructurales sont corrélables avec les propriétés physico-mécaniques et qu'elles sont de bons indicateurs de l'état de ces ciments dans les puits. Ce travail de thèse propose une méthodologie de mesure fiable. En effet, les nombreux essais réalisés et leurs analyses ont permis de déterminer les relations qui permettent de prédire la résistance à la compression des pâtes de ciment d'un puits géothermique. Enfin et quels que soient les paramètres environnementaux appliqués, des relations empiriques ont pu être proposées. Ces dernières, en reliant les résultats de méthodes non destructives avec ceux de méthodes destructives permettront de déterminer les propriétés des pâtes de ciment d'un puits géothermique sans passer par des essais destructifs / In low energy geothermal wells (up to 2000 meters deep), cement is used in the annular space, between the casing and surrounding geological formations. Its role is to ensure the zonal isolation, the mechanical strength of the layers and the protection of the casing. The quality and stability over time of these cements are important. Given the geothermal gradient, water circulations loaded in chemical elements in the aquifer and strong confining stresses due to the depth, cement hydration is likely to be significantly influenced. Indeed, these factors may in the long term contribute to premature degradation of the well. The objective of this work is to examine the effects of environmental conditions of geothermal wells (temperature, pressure and concentrations of NaCl) on the physical and mechanical properties of cement pastes and microstructural inverstigations. Several grouts were sampled on a geothermal project in Ile de France. On this project, the class G cement grout and cement with bentonite grout are used throughout the well. Hardened cement pastes prepared in the laboratory were studied using a methodology based on non-destructive (ultrasonic wave velocity, resonance frequency, permeability) and destructive measurements (Young's modulus, compressive strength, thermal conductivity). Thermal and physico-mechanical properties of hardened cement pastes from these measures were coupled with microstructural observations by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and mercury intrusion porosimetry. The results showed that the microstructural analyses concur with the physico-mechanical properties and are good indicators of the state of the cement in the well. This thesis proposes a reliable testing methodology. Indead, many tests and analyses provide relationships that predict the compressive strength of cement pastes a geothermal well. Finally, and irrespective of the environmental conditions applied, empirical relationships have been proposed. These link relations the results of non-destructive methods with those from destructive tests and can be used to determine the properties of cement pastes without carrying out destructive tests in geothermal wells

Le fluide chaud produit par les forages de la centrale géothermique de Bouillante (Guadeloupe) est enrichi en espèces dissoutes telles que la silice qui peuvent précipiter sous forme de dépôts solides lors de son refroidissement et gêner fortement la production électrique. L’un des principaux objectifs de ce travail de thèse a donc été d’améliorer l’état des connaissances sur les conditions physiques, chimiques et cinétiques de la précipitation de la silice amorphe à Bouillante. Après une étude des caractéristiques physico-chimiques des fluides et des dépôts associés au champ de Bouillante, des expériences sur la cinétique de précipitation de la silice, sur site, pour une large gamme de température (25 - 90°C) et de pH (4 - 12) ont été menées et analysées en détail.Pour l’ensemble de ces expériences, seule la polymérisation (réversible) de la silice dissoute, sous forme de suspensions colloïdales très stables en solution, a été observée. La modélisation des données expérimentales de cinétique montre que la vitesse de polymérisation de la silice suit une loi d’ordre 2 vis-à-vis de la silice dissoute jusqu’à l’équilibre en accord avec une dimérisation de la silice. Par contre, durant l’étape initiale de la réaction, une loi d’ordre 4 semble mieux adaptée, suggérant des réactions de polymérisation plus complexes avec formation de tétramères. La température a un effet limité sur la cinétique de polymérisation de la silice comparé à l’effet du pH qui est beaucoup plus important. L’énergie d’activation de la réaction globale est de 41 - 54 kJ pour des pH compris entre 5 et 8.La caractérisation de la silice précipitée a mis en évidence des différences notables entre la structure poreuse de la silice solide prélevée sur les installations de surface et celle de la silice colloïdale obtenue par polymérisation lors des expériences de cinétique, ce qui semble indiquer que des mécanismes différents interviennent dans ces deux contextes de précipitation de la silice dissoute.Le deuxième objectif de cette thèse était d’évaluer la possibilité de valoriser la silice extraite de l’eau géothermale de Bouillante dans un procédé de traitement des eaux naturelles par adsorption. Pour cela, les propriétés d’adsorption de la silice géothermale brute et fonctionnalisée par le poly(ethylèneimine) (ou PEI) ont été étudiées pour deux polluants : un colorant, le bleu de méthylène et un métal lourd, le plomb. Les résultats obtenus montrent que la silice brute possède une grande capacité d’adsorption vis-à-vis du bleu de méthylène. En outre, la fonctionnalisation de la silice par le PEI permet d’améliorer sa capacité d’adsorption vis-à-vis du plomb en solution, en accord avec un modèle cinétique du pseudo-second ordre suggérant une chimisorption. Le modèle d’isotherme de Redlich-Peterson est également en très bon accord avec les données expérimentales. / The hot geothermal fluid produced by the geothermal power plant of Bouillante (Guadeloupe) contains various dissolved components such as silica that can precipitate as solid deposits during their cooling and cause serious problems on the electricity generation. One of the aim of this study is to improve the understanding on the physical, chemical and kinetics conditions of the amorphous silica precipitation in the Bouillante geothermal field. After a study on the physical and chemical characteristics of the Bouillante fluids and deposits which can form during their exploitation, experiments on the kinetics of silica precipitation, on site, under a large range of temperature (25 – 90°C) and pH (4 – 12) have been carried out and analyzed in detail.During on site kinetics experimentations only dissolved silica polymerization (reversible) as colloidal gel, very stable in solution, was observed. Modeling of the experimental data showed that the kinetics polymerization is characterized by a 2-order kinetic law relative to dissolved silica until the equilibrium that is consistent with silica dimerization. On the other side, the initial stage of the reaction is better characterized by a 4-order kinetic law that suggested more complex polymerization reactions with tetramers formation.Temperature has a little effect on the polymerization kinetics compared with the pH which has an effect more important. The activation energy of silica precipitation calculated between 25 and 90°C, is about 41 - 54 kJ for pH ranging to 5 - 8.The characterization of the silica precipitate reveals significant differences in the porous structure of the silica collected on the surface installations and the one obtained from kinetic experiments that suggests different precipitation mechanisms. The second objective of this thesis was to evaluate the possibility to promote geothermal silica for the treatment of natural waters containing contaminants by adsorption. Adsorption properties of the untreated and functionalized by poly(ethylèneimine) (ou PEI) geothermal silica have been investigated for two pollutants: a colorant, the methylene blue and a heavy metal, the lead.Results showed that untreated silica has a great adsorption capacity concerning the methylene blue. Besides, silica functionalization by the PEI allows improving the adsorption capacity for lead in solution. The adsorption kinetics curves followed a pseudo-second order model consistent with a chimisorption. The isotherm model of Redlich-Peterson fitted well the experimental data.

L'Eau Antarctique de Fond constitue la principale masse d'eau océanique par son volume, et nourrit la composante la plus profonde et la plus lente de la circulation océanique. Les processus qui régissent son cycle de vie sont donc clé pour la capacité de stockage de l'océan en carbone et chaleur aux échelles centennales à multi-millénaires. Cette thèse tente de caractériser et quantifier les principaux processus responsables de la destruction (synonyme d'allègement et de remontée) de l'Eau Antarctique de Fond dans l'océan abyssal. A partir d'une estimée issue d'observations de la structure thermohaline de l'océan mondial et de diagnostics fondés sur le budget de densité des eaux profondes, les rôles respectifs du chauffage géothermal, du mélange turbulent par déferlement d'ondes internes et de la géométrie des bassins sont évalués. Il est montré que la géométrie de l'océan gouverne la structure de la circulation de l'Eau Antarctique de Fond. La contribution du déferlement des ondes internes, bien que mal contrainte, est estimée insuffisante pour maintenir un rythme de destruction de l'Eau Antarctique de Fond comparable à celui de sa formation. Le chauffage géothermal a quant à lui un rôle important pour la remontée des eaux recouvrant une large surface du lit océanique. Les résultats suggèrent une réévaluation de l'importance du mélange au niveau des détroits et seuils profonds, mais aussi du rôle fondamental de la forme des bassins, pour l'allègement et le transport des eaux abyssales. / Antarctic Bottom Water is the most voluminous water mass of the World Ocean, and it feeds the deepest and slowest component of ocean circulation. The processes that govern its lifecycle are therefore key to the ocean's carbon and heat storage capacity on centennial to multi-millennial timescales. This thesis aims at characterizing and quantifying processes responsible for the destruction (synonymous of lightening and upwelling) of Antarctic Bottom Water in the abyssal ocean. Using an observational estimate of the global ocean thermohaline structure and diagnostics based on the density budget of deep waters, we explore the roles of basin geometry, geothermal heating and mixing by breaking internal waves for the abyssal circulation. We show that the shape of ocean basins largely controls the structure of abyssal upwelling. The contribution of mixing powered by breaking internal waves, though poorly constrained, is estimated to be insufficient to destroy Antarctic Bottom Water at a rate comparable to that of its formation. Geothermal heating plays an important role for the upwelling of waters covering large seafloor areas. The results suggest a reappraisal of the role of mixing in deep straits and sills, but also of the fundamental role of basin geometry, for the lightening and transport of abyssal waters.

Les amibes sont des organismes unicellulaires eucaryotes, de 10 à 300 µm, pouvant vivre sous forme parasite ou évoluer librement dans les sols et les milieux aquatiques ou encore adopter l’une ou l’autre forme en fonction de l’environnement. Certaines amibes libres sont hautement pathogènes pour les animaux et l’homme, en particulier Naegleria fowleri qui se développe dans les eaux naturellement chaudes à des températures comprises entre 27 et 45°C. Cette espèce est responsable d'une encéphalite généralement mortelle, la méningo-encéphalite amibienne primitive (MEAP), dont un cas a été recensé en Guadeloupe en 2008. Un enfant de 9 ans ayant contracté la maladie est décédé quelques jours après un bain dans les eaux chaudes de Dolé, sur la commune de Gourbeyre. Notre travail de Thèse à l’Institut Pasteur, en collaboration avec l’ARS, a permis d’initier un programme de recherche sur ces amibes pathogènes très peu connues sur notre territoire, afin de mieux évaluer le risque lié aux baignades dans les sources géothermales de la Guadeloupe. Nous avons développé et mis au point une méthode de détection et de dénombrement des amibes faisant appel à la biologie moléculaire qui est aujourd’hui appliquée en routine au sein de notre laboratoire. Depuis Janvier 2011, un suivi mensuel a révélé la présence des amibes thermophiles et de l’amibe pathogène dans presque tous les sites analysés (Ravine Chaude, Bains de La Lise et Bain du Curé à Pigeon, Bains Jaunes, Bain de Dolé, Bain de Capes, Bain des Amours, Bain de la rivière Grosse-Corde, Chute du Carbet, Bain de Morphy et Bain chaud de Matouba), à l’exception des eaux chaudes soufrées et/ou salées de Sofaïa et de l’Anse Thomas à Bouillante. Le séquençage des produits de PCR obtenus et déposés dans Genbank nous a permis de confirmer l’appartenance de cette souche de N. fowleri, au type 3 Euro-américain, identique à celui détecté lors de l’accident de 2008 (Moussa et al. 2013). Le nombre d’amibes pathogènes retrouvées varie de 2 à 30 amibes/litre selon les bains, sans dépasser la limite de 100 amibes/litre recommandée par les autorités sanitaires. En dépit de ces faibles concentrations, une surveillance régulière des bassins est nécessaire. Sur l’ensemble de l’année 2011-2012, l’espèce pathogène N. fowleri a été la plus fréquemment rencontrée par rapport aux espèces non pathogènes N. lovaniensis et Hartmanella sp. Ces données de surveillance ont amené l’ARS et les communes concernées à organiser une campagne de sensibilisation à destination des populations locales et touristiques, reposant sur l’installation de panneaux de prévention à proximité des principaux sites où N. fowleri a été retrouvée.La présence régulière de N. fowleri tout au long de l’année dans la plupart des bains chauds et notamment dans les bains les plus fréquentés, a orienté notre travail sur la recherche de l’origine de leur contamination. Nous avons découvert que les sources géothermales ne sont pas contaminées à leur émergence, mais que les amibes proviennent de la terre en amont des bassins. Ce résultat qui montre que le sol est le réservoir naturel des amibes, nous a permis de proposer aux collectivités un moyen de lutte efficace en canalisant l’eau depuis l’émergence jusqu’au bassin, sans passer par le sol. / Amoebas are eukaryotic unicellular organisms, measuring from 10 to 300 µm, being able to live under a parasite form or to evolve freely in soils and aquatic media. They can even adopt either form depending of the environment. Some free living amoebas are highly pathogenic for animals and humans, especially Naegleria fowleri which develops in naturally hot waters at temperatures between 27 and 45°C. This species is responsible for an encephalitis generally lethal, the primary amoebic meningoencephalitis (PAM), a case of which occured in Guadeloupe in 2008. A 9-year-old child having contracted the disease, died a few days after a bath in the hot waters of Dolé, in Gourbeyre. Our Thesis at the Institut Pasteur of Guadeloupe, in association with the ARS, initiated a research program on these pathogenic amoebas poorly known in our territory, to better estimate the risk to contract the disease while bathing in geothermal recreational waters of Guadeloupe. We developed and worked out a method of detection and enumeration of amoebas using the molecular biology, which is currently applied in routine in our laboratory. Since January, 2011, a monthly monitoring of the baths revealed the presence of thermophilic free living amoebas and pathogenic amoeba in almost all the analyzed sites (Ravine Chaude, La Lise, Bain du Curé à Pigeon, Bains Jaunes, Bain de Dolé, Bain de Capès, Bain des Amours, Bain de la rivière Grosse-Corde, Chutes du Carbet, Morphy and the hot bath of Matouba), with the exception of sulphurated and/or salty hot waters of Sofaïa and the Anse-Thomas in Bouillante. The sequencing of the PCR products obtained were deposited in Genbank and confirmed that the Guadeloupean N. fowleri belonged to the Type-3 Euro-American, identical to that detected in the patient in 2008 (Moussa et al. 2013). The number of pathogenic amoebas varied from 2 to 30 amoebas / liter according to the baths, without exceeding the limit of 100 amoebas / liter recommended by the health authorities. In spite of this rather low concentration the baths require a regular surveillance. On the full year 2011-2012, the pathogenic species N. fowleri was the most frequently encountered species followed by N. lovaniensis and Hartmanella sp. These data of the surveillance led the ARS and the municipalities concerned to organize an awareness campaign destinated to the local and tourist population, based on the installation of prevention panels near the main sites where N. fowleri was found. The regular presence of N. fowleri during the year in most of the hot baths, especially the most frequented ones, leads us to look for the origin of their contamination. We discovered that geothermal springs are not contaminated at their emergence, but that amoebas come from the soil upstream the baths. This result which shows that soil is the natural reservoir of amoebas, allowed us to propose to the authorities effective means of prevention by installing pipes to carry the water from the emergence to the bath, without touching the soil.