Les réseaux de fractures et les karsts constituent des discontinuités au sein de la roche qui affectent considérablement les écoulements de fluides, ce qui engendre des problèmes spécifiques dans divers domaines des géosciences. La problématique générale consiste à déterminer les caractéristiques géométriques et hydrauliques des réseaux de fractures ou de karsts. La caractérisation et la modélisation de ces structures se heurtent cependant à leur complexité géométrique et à leur distribution spatiale hétérogène. De plus, les observations et données directes concernant aussi bien les fractures et karsts que leur encaissant rocheux restent largement insuffisantes pour décrire avec certitudes leurs caractéristiques. Pour ces raisons, la modélisation de réseaux de fractures ou de karsts est le plus souvent réalisée dans un cadre probabiliste. Des simulations stochastiques de type objet ou pixel sont généralement mise en œuvre pour générer des modèles 3D de fractures ou karsts. Cependant les mécanismes sur lesquels repose ce type d'approche ne permet pas de reproduire toutes la complexité de ces objets naturels et fournit des modèles manquant de réalisme géologique.Dans ces travaux de thèse, nous proposons d'aborder la problématique de la modélisation des fractures et des karsts suivant une approche pseudo-génétique. Il s'agit de contraindre le processus de simulation stochastique de fractures et karsts par des règles géométriques et heuristiques qui imitent les processus physiques gouvernant leur formation. Deux méthodes poursuivant cet objectif ont été développées, l'une adressant la simulation des fractures et la seconde celle des karsts. Les modèles ainsi générés exposent des caractéristiques similaires à celles des réseaux de fractures et karsts naturels. / Fractures and karstic networks are known to significantly affect flow paths and therefore raise specific issues in a wide variety of geoscience fields. The common question beyond these problems isto determine whether there is a network of fractures and/or karstic conduits and if yes what are itsgeometrical and hydraulic characteristics. Characterization and modeling of these features is a challenge for it usually displays complex geometries and heterogeneous spatial distribution. Moreover, in most cases, neither fracture and karst nor their host environment can be observed or described with certainty at all scales and location of relevance. For these reasons, fractures and karstic networks are usually integrated into 3D geological model through a probabilistic framework. Stochastic object- or pixel-based simulations are commonly performed to generate 3D models of fractures and karst but failed to reproduce the whole complexity of these natural objects and 3D models often lack geological realism.To address the issues related to fracture and karst modeling, we present two genetic-like approaches. The motivation of this work is to constrain the stochastic simulation of fractures and karsts by geometrical and heuristic rules which mimic the physical processes governing their formation. The resulting fracture and karst models display similar characteristics as those of natural pattern.

La modélisation du sous-sol est un outil indispensable pour décrire, comprendre et quantifier les processus géologiques. L'accès au sous-sol et son observation étant limités aux moyens d'acquisition, la construction de modèles tridimensionnels du sous-sol repose sur l'interprétation de données éparses à résolution limitée. Dans ce contexte, de nombreuses incertitudes affectent la construction de tels modèles, dues aux possibles biais humains cognitifs lors de l'interprétation, à la variabilité naturelle des objets géologiques et aux incertitudes intrinsèques des données utilisées. Ces incertitudes altèrent la prédictibilité des modèles et leur évaluation est donc nécessaire afin de réduire les risques économiques et humains liés à l'utilisation des modèles. Le travail de thèse s'est déroulé dans le cadre plus spécifique des incertitudes sur les structures géologiques. Les réponses apportées sont multiples : (1) une méthode stochastique de génération de modèles structuraux à géométrie et topologie changeantes, combinant une connaissance a priori des structures géologiques aux données interprétées, a été développée ; (2) le réalisme géologique des structures modélisées est garanti grâce à la modélisation implicite, représentant une surface par une équipotentielle d'un champ scalaire volumique ; (3) la description des failles en un nombre restreint de paramètres incertains a permis d'aborder la modélisation inverse, ce qui ouvre la voie vers l'assimilation de données géophysiques ou d'écoulement fluides grâce à des méthodes bayesiennes / Subsurface modeling is a key tool to describe, understand and quantify geological processes. As the subsurface is inaccessible and its observation is limited by acquisition methods, 3D models of the subsurface are usually built from the interpretation of sparse data with limited resolution. Therefore, uncertainties occur during the model building process, due to possible cognitive human bias, natural variability of geological objects and intrinsic uncertainties of data. In such context, the predictability of models is limited by uncertainties, which must be assessed in order to reduce economical and human risks linked to the use of models. This thesis focuses more specifically on uncertainties about geological structures. Our contributions are : (1) a stochastic method for generating structural models with various fault and horizon geometries as well as fault connections, combining prior information and interpreted data, has been developped ; (2) realistic geological objects are obtained using implicit modeling that represents a surface by an equipotential of a volumetric scalar field ; (3) faults have been described by a reduced set of uncertain parameters, which opens the way to the inversion of structural objects using geophysical or fluid flow data by baysian methods

La corrélation entre les différents puits disponibles des unités stratigraphiques identifiées correspond à l'une des premières étapes de la construction d'un modèle de sous-sol. Les horizons stratigraphiques construits définissent, de part leur géométrie et leur topologie, l'architecture stratigraphique du sous-sol guidant simulations géostatistiques des propriétés réservoirs et des faciès. Cependant, la faible qualité et/ou quantité des données disponibles ainsi que la complexité de la mise en oeuvre des concepts sédimentologiques utilisés pour construire un modèle de corrélation rendent cette étape incertaine. Afin de gérer et d'échantillonner ces incertitudes, une méthode stochastique de corrélation stratigraphique est proposée. Cette méthode se base sur le développement de règles de corrélation, assises sur des concepts sédimentologiques ainsi que sur les connaissances a priori de la zone étudiée. Cette méthodologie est appliquée à la corrélation de séquences stratigraphiques de la de marge carbonatée, d'âge Crétacé Supérieur, du bassin Sud-Provençale. Dans cette optique, deux règles de corrélations, basées sur la cohérence des paléoangles et sur une représentation de la paléotopographie construite a priori sont définies. L'étude de la répartition des faciès dans les différents modèles de corrélations générés indique que les incertitudes sur les corrélations stratigraphiques conduisent à envisager plusieurs scenarios de compartimentation de réservoir. Une étude liant corrélations stratigraphiques, simulations d'écoulement et géophysique est menée sur le champ de gaz de Malampaya. Dans ce cas, des unités diagénétiques sont corrélées afin de construire différents modèles statiques et dynamiques de ce réservoir. Cette étude permet de montrer un fort contrôle stratigraphique sur la répartition de l'écoulement alors que l'imagerie séismique semble moins affectée. L'étude de dépôts fluviaux deltaïques au niveau du bassin de la mer du Nord sert de base au développement de règles de corrélations intégrant des informations issues de l'imagerie séismique. Ces nouvelles règles de corrélations permettent de mieux contraindre le problème de corrélations stratigraphique lorsque les sédiments enregistrés au niveau des puits montrent une forte cyclicité. La magnétostratigraphie est une autre source d'information permettant d'étudier l'histoire du remplissage et de la déformation de bassins sédimentaires. Le développement de règles dédiées à cette discipline, et l'utilisation de celles-ci sur des séries sédimentaires himalayennes, permet d'appréhender les incertitudes sur l'âge des sédiments ainsi que sur les paléo-taux d'accumulation de sédiments / Stratigraphic correlation consists in linking boundaries of correlative units between wells or outcrops over a given study area, and is therefore one of the first steps of the characterization of the subsurface geometry, supporting geostatistical modeling of static reservoir properties. However, this early step is subject to uncertainties, since stratigraphic well correlation is constrained only by sparse observations (wells and outcrops), low resolution information coming from geophysics, regional knowledge and geological concepts. The Dynamic Time Warping (DTW) algorithm serves as a base for the development of a generic method stochastically performing stratigraphic correlation between units identified on available wells. The proposed method relies on the definition of correlation rules that are applied using the available data and some regional knowledge, according to the way stratigraphic units are defined. An application to the Cretaceous southern Provence carbonate basin has been performed using correlation rules based on paleo-angles and the theoretical architecture of the depositional environment. The computation of vertical proportions of facies on numerous models generated from the stochastic correlations of sequence stratigraphic units indicates that the uncertainties on the stratigraphic correlation impact the compartmentalization of the modeled reservoirs. The impact of stratigraphic correlation uncertainties on fluid flow behavior is assessed through the example of the Malampaya diagenetic carbonate reservoir. Diagenetic units are correlated on the basis of their wireline log signature and diagenetic types. Different models are generated from the stochastic well correlations, and the corresponding water saturation profiles are computed. They show different displacement patterns, indicating a stratigraphic control of the dynamic property, which contrasts with the synthetic seismic model constructed from the corresponding geomodel. Magnetostratigraphic correlation is another way to study sedimentary basin deposition and deformation history. Adapting the DTW algorithm to magnetostratigraphic data, we generate dating models of Himalayan deposits, for which conflicting interpretations are proposed in the literature. This allows managing the associated accumulation rates uncertainties

La Zone Non Saturée (ZNS) peut jouer un rôle majeur pour la circulation et le stockage de l'eau dans les hydrosystèmes karstiques mais ces mécanismes restent peu connus. L'hydrogéophysique peut-elle permettre d'évaluer les variations spatiales et temporelles du stock de l'eau de la ZNS pour améliorer la compréhension de son fonctionnement ? En 2011 et 2012 différents outils ont été utilisés sur un site expérimental à l'aplomb du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel (LSBB) dans le bassin d'alimentation de la Fontaine de Vaucluse afin d'en étudier la structure et le fonctionnement hydrogéologique. Ces investigations se sont déroulées selon une méthodologie comprenant quatre phases : (1) phase préliminaire d'étude géologique et hydrogéologique (2) caractérisation géophysique de la stucture géologique (3) caractérisation hydrogéophysique du fonctionnement hydrodynamique (4) synthèse par géomodélisation 3 D. Les résultats obtenus sur le site expérimental soulignent le potentiel de l'hydrogéophysique en milieu karstique et valident la méthodologie proposée. Les investigations ont permis d'identifier rapidement des structures géologiques pouvant jouer un rôle majeur dans la régulation des flux d'eau. Des variations saisonnières du stock d'eau ont été mesurées jusqu'à plusieurs dizaines de mètres dans la ZNS. Le suivi géophysique évènementiel a permis d'imager l'hétérogénéité spatiale et temporelle de la recharge. Enfin, la géomodélisation s'avère essentielle dans la méthologie proposée pour synthétiser les connaissances du site, finaliser le schéma de fonctionnement et poser les bases de futurs travaux de modélisation hydrodynamique dans la ZNS du karst. / Karst Unstatured Zone can play a major hydrodynamic role but water flow and storage mechanisms remains poorly known. Can hydrogeophysics help assessing the spatial and temporal waterstorage variation in UZ and improve understanding karst UZ functioning ? In 2011 and 2012, various tools have been employed on an experimental site above the low noise underground research laboratory of Rustrel (LSBB) within the Fontaine de Vaucluse catchment, in order to study the hydrogeological structure and functioning. These investigations were conducted using a methodology including four phases : (1) Preliminary study of geological and hydrogeological contexte, (2) Geophysical characterization of the geological features, (3) Hydrogeophysical characterization of the hydrodynamic functioning, (4) 3D geomodeling of the karst UZ. The acquired results highligth the potential of hydrogeophysical investigation in karst media and validated the proposed methology. These investigations allowed a fast identification of geological structures which may play a major role in water flow regulation. Seasonal variations in water storage were measured until several tens of meters deep within the UZ. Hydrogeophysical monitoring allowed imaging spatial and temporal heterogeneityof recharge; Finally, the geomodeling is essential within the proposed methology to synthesize site knowledge, finalize the conceptual functioning schema and lay the foundation for future work of hydrodynamicmodeling in karst UZ / La Zona No Saturada (ZNS) puede jugar un papel importante en la circulación y el almacenamiento del agua en los hidrosistemas kársticos, sin embargo sus mecanismos son poco conocidos. ¿La hidrogeofísica podría evaluar las variaciones espaciales y temporales del agua subterránea de la ZNS para mejorar la comprensión de su comportamiento?En el año 2011 y 2012, diferentes herramientas fueron utilizadas en un sitio experimental del Laboratorio Subterráneo de Bajo nivel de Ruido (LSBB, siglas en francés) ubicada en la cuenca de alimentación de la Fontaine de Vaucluse (Francia) con el propósito de estudiar su estructura y comportamiento hidrogeológico. Estas investigaciones fueron desarrolladas según una metodología compuesta de cuatro fases: (1) una fase preliminar de estudio geológico e hidrogeológico, (2) una caracterización geofísica de la estructura geológica, (3), una caracterización hidrogeofísica del comportamiento hidrodinámico, y (4) una síntesis por geomodelización 3D.Los resultados obtenidos en el campo validan la metodología utilizada y muestran la importancia del uso de la hidrogeofísica en el estudio del medio kárstico. Las investigaciones permitieron identificar rápidamente las estructuras geológicas que juegan un rol importante en la regulación de los flujos de agua. Las variaciones temporales del agua subterránea fueron medidas hasta varias decenas de metros de profundidad en la ZNS. El monitoreo geofísico de eventos puntuales permitió realizar una representación grafica de la heterogeneidad espacial y temporal de la recarga. Finalmente, la geomodelización es considerada como parte esencial en la metodología propuesta para sintetizar los conocimientos del área de estudio, finalizar el esquema del funcionamiento y proponer las bases de los futuros trabajos en modelización hidrodinámica de la ZNS del karst. / يمكن للطبقة غير المشبعة٬ في نظم المياه الجوفية ذات الطبيعة الجيرية (الكارست) أن تلعب دورا مهما في حركة و تخزين المياه الجوفية٬ لكن آليات عمل هذه الطبقة تبقى إلى حد ما مبهمة. إن السؤال الذي يبقى مطروحا : هل بإمكان علم الهيدروجيوفيزياء أن يمكننا من تقييم التغيرات في البعدين المكاني و الزمني لمخزون المياه في الطبقة غير المشبعة بغية تطوير فهمنا لآلية عملها؟خلال الفترة الممتدة بين سنتي 2011 – 2012 م٬ تم إستخدام العديد من الأدوات في حقل تجريبي على مستوى المختبر التحت أرضي عديم التشويش بروستال بفرنسا (LSBB de Rustel)٬ والذي يتواجد في حوض التغذية لمنبع الفوكلوز(Fontaine de Vaucluse) بغية دراسة بنية الطبقة غير المشبعة للكارست و كيفية أدائها فيما يتعلق بالمياه الجوفية. إن هذه الأبحاث نفذت بمنهجية مكونة من أربعة مراحل٬ و هن كالآتي: (1) المرحلة الابتدائية و تخص الدراسة الجيولوجية و الهيدروجيولوجية٬ (2) التوصيف الجيوفيزيائي للبنية الجيولوجية٬ (3) التوصيف الهيدروجيوفيزيائي لحركة الطبقة المائية٬ (4) الخلاصة من خلال إنشاء نموذج جيولوجي ثلاثي الأبعاد.إن النتائج المتحصل عليها في الموقع التجريبي أظهرت أهمية الهيدروجيوفيزياء في الوسط الكارستي و أكدت نجاعة المنهجية المقترحة. إن الأبحاث المنجزة٬ مكنت في وقت وجيز٬ من تحديد البنيات الجيولوجية التي يمكن أن تلعب دورا مهما في معادلة التدفقات المائية. من منظور آخر٬ مكنتنا الطريقة المقترحة من قياس التغيرات الموسمية للمخزون المائي في الطبقة غير المشبعة (ZNS) و ذلك على عمق عشرات الأمتار. إن الرصد الجيوفيزيائي الحدثي مكن من تصوير التغيرات المكانية و الزمنية لإعادة التغذية. أخيرا يظهر جليا أن النمذجة الجيولوجية ثلاثية الأبعاد ذات الأسس الجيولوجية٬ الهيدروجيولوجية و الجيوفيزيائية٬ أمر أساسي بالنسبة للمنهجية المقترحة من أجل حوصلة معلوماتنا بخصوص الموقع المدروس٬ تكملة مخطط التشغيل و وضع أسس الأعمال المستقبلية لنماذج حركة المياه خلال الطبقة غير المشبعة لأحواض المياه الجوفية ذات الطبيعة الجيرية (الكارست Karst).المفردات الرئيسية:الهيدروجيوفيزياء (علم جيوفيزياء المياه الجوفية)، الكارست (حوض مائي جوفي ذو طبيعة جيرية)، إعادة تغذية الطّبقة المائيّة، الطّبقة غير المشبّعة (ZNS)، النّمذجة الجيولوجيةGéomodélisation) )، منبع الفوكلوز (ontaine deF Vaucluse)، المختبر التحت أرضي عديم التشويش بروستال بفرنسا (LSBB de Rustel). / 非饱和带对喀斯特地区水分的运动和存储具有重要作用，但是这一机制仍然不太清楚。水文地球物理学方法是否有助于评估非饱和带水分存储的时空变异，并深化我们对喀斯特非饱和带功能的认识？为了研究沃克吕兹泉流域的水文地质结构和功能，分别于2011和2012年，在吕斯特勒地区地下低噪声试验室(lsbb)上方的试验点进行了各种试验。研究内容包括四个部分：(1)：初步的地质和水文地质调查；(2)：地质结构的地球物理方法勘探；(3)：水动力过程的水文地球物理监测；(4) 喀斯特非饱和带结构的三维模拟。研究结果表明，水文地球物理学方法在喀斯特地区的研究中具有很大应用潜力，并检验了我们提出的方法的可靠性。利用这种方法，对对水流调节起主要作用的地质结构进行了快速识别；对深达几十米的非饱和带储水量的季节性变化进行了监测；对地下补给过程的时空异质性进行了成像。最后，综合研究区的各种信息，建立地学模型，确定了水文地质结构和功能的概念模式，为后续喀斯特非饱和带水动力学过程模拟研究奠定了基础。

The development of spatio–temporal geoscience information systems (TGSIS) as the next generation of geographic information systems (GIS) and geoscience information systems (GSIS) was investigated with respect to the following four aspects: concepts, data models, software, and applications. These systems are capable of capturing, storing, managing, and querying data of geo–objects subject to dynamic processes, thereby causing the evolution of their geometry, topology and geoscience properties. In this study, five data models were proposed. The first data model represents static geo–objects whose geometries are in the 3–dimensional space. The second and third data models represent geological surfaces evolving in a discrete and continuous manner, respectively. The fourth data model is a general model that represents geo–objects whose geometries are n–dimensional embedding in the m–dimensional space R^m, m >= 3. The topology and the properties of these geo–objects are also represented in the data model. In this model, time is represented as one dimension (valid time). Moreover, the valid time is an independent variable, whereas geometry, topology, and the properties are dependent (on time) variables. The fifth data model represents multiple indexed geoscience data in which time and other non–spatial dimensions are interpreted as larger spatial dimensions. To capture data in space and time, morphological interpolation methods were reviewed, and a new morphological interpolation method was proposed to model geological surfaces evolving continuously in a time interval. This algorithm is based on parameterisation techniques to locate the cross–reference and then compute the trajectories complying with geometrical constraints. In addition, the long transaction feature was studied, and the data schema, functions, triggers, and views were proposed to implement the long transaction feature and the database versioning in PostgreSQL. To implement database versioning tailored to geoscience applications, an algorithm comparing two triangulated meshes was also proposed. Therefore, TGSIS enable geologists to manage different versions of geoscience data for different geological paradigms, data, and authors. Finally, a prototype software system was built. This system uses the client/server architecture in which the server side uses the PostgreSQL database management system and the client side uses the gOcad geomodeling system. The system was also applied to certain sample applications.

Les calcaires hémipélagiques du Sud-Est de la France sont caractérisés par de faibles valeurs de porosité et de perméabilité. Ces caractéristiques permettent de considérer ces roches comme de potentiels analogues des réservoirs pétroliers non-conventionnels ou des aquifères fissurés. Ces réservoirs sont d’une importance capitale dans le contexte économique actuel. Néanmoins, l’exploitation de ce type de réservoir représente des risques industriels et des challenges techniques qui doivent être gérés pour réduire leur empreinte sur l’environnement.Ce travail apporte une quantité significative de nouvelles données et des méthodes pour caractériser les réservoirs carbonatés non-conventionnels. Il démontre l’importance des figures de compaction (stylolites, microstylolites et faisceaux de pression-dissolution) sur la capacité de stockage des fluides dans ce type de réservoir. Il montre aussi que l’évolution diagénétique des sédiments carbonatés hémipélagiques dépend de processus précoces (cimentations précoces, compaction différentielle) et éventuellement de réactivations plus tardives (inversion de contraintes tectoniques). Le couplage des modèles 3D avec les géostatistiques apparaît comme un protocole valide et rapide pour identifier les éléments clef (faciès, fractures et stylolites) qui jouent un rôle dans la distribution des hétérogénéités pétrophysiques des réservoirs non-conventionnels. Cette méthode permet aussi de générer des modèles équiprobable de corps géologiques fracturés et perméables permettant de possible investigations sur la distribution des zones d’écoulement préférentiels. / Hemipelagic limestones from the South-East of France are characterized by low values of porosity and permeability that allow considering these rocks as potential analogs to unconventional oil and gas reservoirs or fissured aquifers. These reservoirs are of primary importance in today’s economical context where the energy and the water’s demands grow with the increase in the world population. Nevertheless, the industrial exploitation of such reservoirs faces series of environmental risks and technical challenges that require to be managed in order to reduce their footprint on the environment.This work brought a significant amount of new data on unconventional carbonate reservoirs. It highlights how important compaction features (stylolites, microstylolites, solution seams) may be to fluids storage in such reservoirs. It shows that the diagenetic evolution of hemipelagic carbonate sediments depends on both early processes (sorting, early cementation, differential compaction) and eventual late reactivations (under tectonic stress inversion for example). Coupling three-dimensional modeling with geostatistics appear as an accurate and fast protocol to identify key elements (facies, fractures and stylolite) that play a role in the petrophysical heterogeneity of such unconventional reservoirs. This method also allows identifying equiprobable models of fractures geobodies and investigating the distribution of flow preferential pathways.

The development of spatio–temporal geoscience information systems (TGSIS) as the next generation of geographic information systems (GIS) and geoscience information systems (GSIS) was investigated with respect to the following four aspects: concepts, data models, software, and applications. These systems are capable of capturing, storing, managing, and querying data of geo–objects subject to dynamic processes, thereby causing the evolution of their geometry, topology and geoscience properties. In this study, five data models were proposed. The first data model represents static geo–objects whose geometries are in the 3–dimensional space. The second and third data models represent geological surfaces evolving in a discrete and continuous manner, respectively. The fourth data model is a general model that represents geo–objects whose geometries are n–dimensional embedding in the m–dimensional space R^m, m >= 3. The topology and the properties of these geo–objects are also represented in the data model. In this model, time is represented as one dimension (valid time). Moreover, the valid time is an independent variable, whereas geometry, topology, and the properties are dependent (on time) variables. The fifth data model represents multiple indexed geoscience data in which time and other non–spatial dimensions are interpreted as larger spatial dimensions. To capture data in space and time, morphological interpolation methods were reviewed, and a new morphological interpolation method was proposed to model geological surfaces evolving continuously in a time interval. This algorithm is based on parameterisation techniques to locate the cross–reference and then compute the trajectories complying with geometrical constraints. In addition, the long transaction feature was studied, and the data schema, functions, triggers, and views were proposed to implement the long transaction feature and the database versioning in PostgreSQL. To implement database versioning tailored to geoscience applications, an algorithm comparing two triangulated meshes was also proposed. Therefore, TGSIS enable geologists to manage different versions of geoscience data for different geological paradigms, data, and authors. Finally, a prototype software system was built. This system uses the client/server architecture in which the server side uses the PostgreSQL database management system and the client side uses the gOcad geomodeling system. The system was also applied to certain sample applications.