Les muons, particules chargées d'origine cosmique, ont la particularité d'être très pénétrants. L'atténuation du flux de muons dans la matière témoigne de la quantité de matière traversée (profondeur x densité). Sur la base de ce principe, la muographie est une technique permettant d'étudier la densité in-situ de cibles volumineuses telles que des édifices géologiques. Le projet Tomographie Temporelle de la Densité par la Mesure des Muons (T2DM2) a pour objectif la caractérisation des variations spatiales et temporelles de la densité des roches avec un premier champ d'application dans la Zone Non Saturée (ZNS) de l'aquifère karstique de Fontaine-de-Vaucluse, située au-dessus du LSBB. Ce travail de thèse se concentre sur la simulation numérique du flux de muons en profondeur et une première campagne de mesures durant 16 mois consécutifs à différentes profondeurs dans les galeries du LSBB. Les simulations menées sont en accord avec les variations de densité attendues en contexte hydrogéologique. L'influence de la composition atomique de la roche et des processus de diffusion sont discutés ainsi que des pistes pour réduire les durées d'acquisitions (et/ou surfaces de détection et/ou angles solides). Les mesures réalisées au LSBB ont permis d'identifier des zones de plus faibles densités telles que le point X1. Les données acquises ont pu être corrigées de l'influence de la pression atmosphérique grâce à la détermination du coefficient barométrique permettant ainsi l'analyse temporelle du flux de muons. / The muons, charged particles of cosmic origin, have the particularity of being very penetrative. The attenuation of muon flux in matter highlights the quantity of matter (depth x density) passed through. Based on this principle, the muography is a technique allowing the study of the in-situ density of large targets as geological structures. The Temporal Tomography of rock Density using Muon Measurements (T2DM2) aims at characterizing the spatial and temporal density variations with a first application in the unsaturated aquifer of Fontaine-de-Vaucluse located above the LSBB. This thesis work is focused on the numerical simulation of muon flux at depth and a first campaign of measurements during 16 consecutive months at various depths in LSBB galleries. The performed simulations are in agreement with the expected density variations in an hydrogeological context. The influences of the rock atomic composition and of the scattering processes are discussed as well as strategy to reduce the acquisition duration (and/or detection surfaces and/or solid angles). The measurements performed at LSBB allowed to identify areas of lower density such as the X1 point. The acquired data have been corrected thanks to the determination of the barometric coefficient allowing the temporal analysis of muon flux. The comparison of the recorded flux at different depths (~ 60 m, ~ 200 m and ~ 500 m) with the numerical simulations leads to an estimation of the average density of the rocks located above the LSBB of 1.9 ± 0.1 g.cm-3 testifying their important porosity.

Les connaissances actuelles sur le comportement hydrogéologique des édifices volcano-détritique sont encore limitées et cela limite la bonne gestion des ressources en eau. Depuis une décennie, sur les flancs du volcan Merapi, à Java Centre, en Indonésie, une pression croissante se fait sur la ressource en eau avec l'intensification des pratiques agricoles irriguées, la croissance de la population et les utilisations industrielles de l'eau. Le manque de connaissances sur les processus du cycle de l'eau par les consommateurs déclenche des conflits d'usage et le partage de l'eau devient une question centrale. Une compréhension plus précise du cycle de l'eau dans sa globalité dans ce genre de contexte est donc un point fondamental qui a besoin d'être amélioré.Ce travail a été axé sur la caractérisation des ressources en eaux souterraines à travers l’étude de la géométrie et des propriétés hydrodynamiques des systèmes aquifères /aquitards multi-couches à l'échelle d’un bassin versant expérimental sur le flanc Est du volcan Merapi. Pour couvrir tous les processus impliqués dans la circulation des eaux souterraines, une approche multi-disciplinaire a été choisi.Une nouvelle approche géologique et géomorphologique a été réalisé afin de caractériser la structure interne et l'architecture de dépôt sur le flanc Est du Merapi. Sur la base de ces résultats, un modèle conceptuel géologique et géomorphologique a été construit et révèle des formations détritiques chenalisées et connectées depuis les hautes altitudes jusqu’aux vallées, créant des chemins préférentiels pour les eaux souterraines.La caractérisation du climat avec l'estimation des termes du bilan hydrique et la description des principaux processus hydrologiques sont décrits par le suivi de deux années hydrologiques (2011-2012 et 2012-2013 ). Le climat tropical de cette région se caractérise par une période de mousson (Novembre à Mai ) et une saison sèche (Juin à Octobre ). Le bilan hydrologique est caractérisé par 40 % des précipitations sont perdus par évapotranspiration, 10 % s'écoulent et la moitié restante s'infiltre à travers l'édifice volcano-détritique et recharge les aquifères multicouches.Le fonctionnement hydrogéologique d'un environnement volcano-détritique complexe a pu être appréhendé à l’aide d’un suivi hydrogéologique, hydrochimique et géochimiques sur les sources et des puits peu profonds. Deux ceintures de sources ont été identifiées: la première est caractérisée par des sources de dépression alignées le long d'une ligne topographique tandis qu'une faille normale est probablement à l'origine de la seconde. L’utilisation de la température de l’eau de source comme traceur de l’altitude de recharge a permis l’identification de plusieurs systèmes aquifères multi-couches. Les propriétés hydrauliques de ces aquifères ont été établi à partir des l'analyses des essais hydrauliques. Le premier système aquifère est situé proche de la surface et possède une faible conductivité hydraulique. En revanche, un second système aquifère a été identifié en profondeur et possède une forte perméabilité. Le traceur “température” met en évidence un effet de mélange entre le premier et le deuxième aquifère au niveau des sources de basses altitudes . Ce phénomène est confirmé par les résultats des analyses isotopiques.L'application d'un modèle numérique couplant la circulation des flux, le transfert de masse ou le transfert de chaleur confirme le modèle conceptuel hydrogéologique et permet de quantifier la ressource en eau. / The current knowledge on the hydrogeological behavior of the volcano-detritic edifices is still sparse and these lacks limit the attempting of water resource management. Since a decade, on the flanks of Merapi volcano, in Central Java, Indonesia, an increasing pressure is done on the water resource with the intensification of the irrigated agriculture practices, the growth of population and the water industrial uses. The lack of knowledge about the water cycle processes by the consumers triggers water use conflicts and the water sharing becomes a central issue. A most accurate understanding of the water cycle in its globality in this kind of context is hence a fundamental point that need to be improved.This work has been focused on the characterization of groundwater resource thought the identification of the extent, the geometry and hydrodynamic properties of the aquifers/aquitards multi-layered system at the experimental catchment scale on the Eastern flank of Merapi volcano. To cover all the processes involved into the groundwater circulation, a multi-disciplinary approach has been chosen.A new geological and geomorphological approach is performed to characterize the internal structure and the deposit architecture on this zone of the Eastern flank of the Merapi. Based on these results, a geological and geomorphological conceptual model has been built and insists on the channelized detritic formations connected from the upper parts to the low lands through the volcanic edifice and that create preferential groundwater path ways.The climate characterization with the estimation of the water balance terms and the description of main hydrological processes are described with the monitoring of two hydrological years (2011-2012 and 2012- 2013). The tropical climate of this region is characterized by seasonal monsoon (November to May) and dry season (June to October). The global water balance can be distributed as follow: 40% of rainfall are lost by evapotranspiration, 10% runs off and the remaining half infiltrates through the volcano-detritic edifice to recharge the multi-layered aquifers.The hydrogeological functioning of a complex volcano-detritic environment is explained through the implementation of hydrogeological, hydrochemical and geochemical monitoring on inventoried springs and wells. Two spring belts are described, the first one is characterized by depression spring along a topographic line while a normal fault is probably at the origin of the second one. The identification of a multi-layered aquifer systems has been done based on the determination of the spring water temperature as a relevant tracers of the recharge elevation and the groundwater circulations. The hydraulic properties of these aquifers have been investigated from the analysis of hydraulic tests. Results show a low permeable aquifer close to the surface with a local recharge while a second aquifer system with high permeability and regional recharge is located deeper. The tracer temperature shows a mixing effect between the first and the second aquifers in the springs at low elevation. This phenomenon is confirmed by the isotope analysis.The application of a coupled numerical model between flow circulation, first mass transfer and second heat transfer confirms the hydrogeological conceptual model of volcano-sedimentary edifice and allows to quantify the water resource.

Classiquement le transfert des contaminants dans le milieu souterrain est modélisé par un couplage des processus de transport physiques (écoulements contrôlés par les structures géologiques poreuses) et des processus de dégradation ou d'immobilisation chimiques et biologiques. Tant sur les structures géologiques que sur la chimie et la physique, les modèles sont de plus en plus détaillés mais de plus en plus difficiles à calibrer sur des données toujours très parcellaires. Dans cette thèse, nous développons une approche alternative basée sur des modèles parcimonieux sous la forme d’un simple graphe de compartiments interconnectés généralisant les modèles d’interaction de continuums (MINC) ou de transfert à taux multiples (MRMT). Nous montrons que ces modèles sont particulièrement adaptés aux milieux dans lesquels la diffusion de solutés occupe un rôle prépondérant par rapport à l’advection, tels les sols ou les aquifères très hétérogènes comme les aquifères fracturés. L'homogénéisation induite par la diffusion réduit les gradients de concentration, accélère les mélanges entre espèces et fait de la distribution des temps de résidence un excellent proxy de la réactivité. En effet, ces structures simplifiées reconstituées à partir d’informations de temps de résidence se révèlent également pertinentes pour des réactions chimiques non linéaires (e.g. sorption, précipitation/dissolution). Nous montrons finalement comment ces modèles peuvent être adaptés automatiquement à des observations d’essais de traceurs ou de réactions de biodégradation. Ces approches parcimonieuses présentent de nombreux avantages dont la simplicité de développement et de mise en œuvre. Elles permettent d’identifier les déterminants majeurs des échanges entre zones advectives et diffusives ou entre zones inertes et réactives, et d’extrapoler des processus de réactivité à des échelles plus larges. L’utilisation de données de fractionnement isotopique est proposée pour améliorer la dissociation entre l’effet des structures et de la réactivité. / Modelling of contaminant transfer in the subsurface classically relies on a detailed representation of transport processes (groundwater flow controlled by geological structures) coupled to chemical and biological reactivity (immobilization, degradation). Calibration of such detailed models is however often limited by the small amount of available data on the subsurface structures and characteristics. In this thesis, we develop an alternative approach of parsimonious models based on simple graphs of interconnected compartments, taken as generalized multiple interacting continua (MINC) and multiple rate mass transfer (MRMT). We show that this approach is well suited to systems where diffusion-like processes are dominant over advection, like for instance in soils or highly heterogeneous aquifers like fractured aquifers. Homogenization induced by diffusion reduces concentration gradients, speeds up mixing between chemical species and makes residence time distributions excellent proxies for reactivity. Indeed, simplified structures calibrated solely from transit time information prove to provide consistent estimations of non-linear reactivity (e.g. sorption and precipitation/dissolution). Finally, we show how these models can be applied to tracer observations and to biodegradation reactions. Two important advantages of these parsimonious approaches are their facility of development and application. They help identifying the major controls of exchanges between advective and diffusive zones or between inert and reactive zones. They are also amenable to extrapolate reactive processes at larger scale. The use of isotopic fractionation data is proposed to help discriminating between structure-induced effects and reactivity.

Les régions de socle cristallin, pourtant largement représentées à l'échelle mondiale, sont réputées pour leurs modestes ressources en eaux souterraines. La valorisation des eaux souterraines dans les régions de socle est majoritairement limitée aux formations altérées et fissurées de sub-surface. Cependant, ces ressources sont souvent négligées au profit des eaux de surface en raison de leurs faibles débits d'exploitation et de leurs vulnérabilités aux polluants anthropiques. De récentes études de prospection et de recherche ont révélé la présence de ressources souterraines importantes, au delà des horizons superficiels classiquement exploités. Cependant peu d'informations spécifiques à ces ressources profondes sont disponibles, notamment concernant la structure des systèmes aquifères et leurs particularités hydrogéologiques. Par cette étude nous mettons clairement en évidence la présence de ressources en eau conséquentes dans le socle cristallin profond du Massif Armoricain. Ces ressources sont associées à des systèmes de failles assurant des capacités de drainage des réservoirs de stockage connectés. Les réservoirs de stockage superficiels et bordiers assurent l'alimentation en eau du réseau de fracture principal. Cette capacité de drainage est dépendante de la géométrie du plan de faille perméable. Les failles sub-horizontales sont les structures les plus efficaces dans cette fonction. Le stockage dans les formations bordières au système de faille apparaît déterminant pour assurer un débit d'exploitation conséquent. Cette étude permet d'établir une conceptualisation générale de ces systèmes de faille, tant d'un point de vue hydrodynamique que géochimique, et apporte des pistes de réflexions pour la gestion et la protection de telles ressources en eau. / Crystalline basement regions, although largely represented at continental scale, are characterized by a low groundwater resources availability. Groundwater in crystalline areas appear to be mostly limited to weathered and fractured reservoirs at sub-surface depths. But these resources are often disregarded in favor of surface water because of low yields and their vulnerability to anthropogenic contaminants. Recent specific studies have revealed the presence of significant groundwater resources beyond the superficial reservoirs traditionally exploited. However, only few specific information is available concerning these type of resources, especially concerning their structural aquifer morphology and their hydrogeological properties. This study demonstrates the presence of substantial groundwater resources in the Armorican Massif crystalline basement. These resources are associated to fault systems providing drainage capacity of connected reservoir storage. Water supply of the main permeable fault domain during pumping is ensured by sub-surface and burdened reservoir storage. The drainage capacity is dependent on the geometry of the main permeable fault. Sub-horizontal faults are the most efficient structures to warrant this function. Storage in burdened formations of the fault system appears to ensure high groundwater yield. This study establishes hydrodynamic and geochemical conceptualization of a fault system, and provides thinking points in term of management and protection to ensure groundwater resources availability.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer une nouvelle approche de modélisation de la spéléogenèse, susceptible à terme d'acquérir de nouvelles connaissances concernant la mise en place des systèmes karstiques méditerranéens.Il existe plusieurs approches de modélisations numériques de la spéléogenèse,prenant en compte des lois physiques et chimiques contrôlant l'écoulement et la dissolution au sein des aquifères fracturés carbonatés. Néanmoins, les réseaux de vides initiaux considérés par ces modèles ne correspondent en général pas à laréalité de la fracturation.L'approche proposée vise à simuler la karstogenèse au sein d'un aquifère caractérisépar un réseau fracturé, aussi réaliste que possible et satisfaisant des propriétés géométriques.Prenant en compte des paramètres statistiques et géométriques pouvant être obtenus par des observations sur le terrain et des expériences analogiques, il est possible de générer des réseaux 3-D réaliste en termes de position relative des diaclases, qui contrôlé la connectivité globale du réseau.Une fois les réseaux de fractures générés, ceux-ci sont traités afin de construire un maillage incorporé dans un modèle à éléments finis d'écoulement et de transport des eaux souterraines. Les simulations d'écoulement et de transport au sein des réseaux fracturés permettent de déterminer la distribution des vitesses d'écoulement ainsi que de l'âge de l'eau souterraines. Ces distributions sont utilisées pour simuler l'évolution de l'ouverture des différents éléments au moyen de l'application d'une loi empirique dédiée de forme polynomiale.Le calibrage de cette loi est effectué au moyen de tests de type benchmark portant sur des configurations de fracture unique, prenant pour référence des travaux existants, et réalisant des analyses de sensibilité. Des résultats de simulations prenant en compte une matrice carbonatée incorporant la fracture ou le conduit unique, et considérant différentes valeurs de perméabilité matricielle et différentes modalités de recharge, sont présentés.Enfin, des résultats obtenus considérant des configurations caractérisées par une strate carbonatée contenant des réseaux de fractures sont présentés, considérant différentes densités de fracturation, conductivités hydrauliques matricielles et conditions aux limites. / The main objective of this thesis is to provide an approach ofspeleogenesis modeling which would allow to bring new knowledge on the genesis of the Mediterranean karstic systems.Several numerical modeling approaches of speleogenesis exist. They take intoaccount physical and chemical laws for flow and dissolution in fractured carbonate aquifers. Nevertheless, the initial void networks considered by these models gene-rally do not correspond to the fracturing reality.The proposed approach aims to simulate karstogenesis in an aquifer characterizedby a fracture network, while matching field reality as closely as possible andrespecting geometrical properties. Using statistical and geometrical parameters obtained by field observations and analogical experiments, it is possible to generate3-D realistic networks in terms of the relative position of joints that control theoverall network connectivity.Once the fracture networks are generated, they are adapted and incorporated in a3-D ground water flow and transport finite element model. The flow simulationsin the fracture networks allow the determination of the spatial distribution of porevelocities for the initial configuration. This distribution, added to the distributedage of the groundwater, is used to simulate the evolution of the aperture of the different elements by the use of a dedicated empirical equation.The calibration of the empirical growth law is carried out considering initial testson single fractures, taking previous works as reference, and leading sensitivity analyses. Results of simulations taking into account a limestone matrix surrounding the conduit, and considering various values of hydraulic conductivity of the matrixand various recharge conditions, are presented.Then, results obtained considering configurations designed with a single stratum containing fracture networks are presented, considering various fracture densities,matrix hydraulic conductivities and boundary conditions.

Mieux appréhender la relation entre fluides, sismicité et déformation asismique est crucial en terme de risques et de ressources. Dans les zones d'injections de fluide une augmentation du taux de sismicité est observée, certains événements dépassant Mw=5. Quel est alors le rôle des fluides dans le déclenchement et le contrôle de la sismicité ? Une série d'injections de fluide à haute-pression a été réalisée dans les séries carbonatées du LSBB (Rustrel), dans la zone endommagée d'une faille inactive à 280 m de profondeur. Ces expériences in-situ ont permis l'étude des réponses sismiques et hydromécaniques (enregistrées par un large réseau de capteurs) de différentes structures géologiques à une stimulation hydraulique. Seuls certains tests ont été impactés par des séismes bien qu'une rupture ait été mesurée au point d'injection par un extensomètre. 215 séismes ont été détectés et se caractérisent par un contenu haute-fréquence (0.6 à 3 kHz) et de faible magnitude (-4.1 à -3.1). Leur localisation absolue et relative (précision de 1.5 m) a mis en évidence un manque de séismes à proximité du puits d'injection. En comparant le moment sismique cumulé et un moment équivalent de déformation, plus de 96 % de la déformation est asismique. Deux comportements sismiques distincts ont montré qu'au moins une partie de la sismicité était contrôlée par un transfert de contraintes. L'interprétation jointe des données géologiques, mécaniques, hydrogéologiques et sismiques a permis de reconstruire le mouvement des blocs de roches au point d'injection. Ainsi, la stimulation hydraulique de faille génèrerait un mouvement asismique, qui par transfert de contrainte, déclencherait la sismicité. / Better understanding how fluids pressure produce seismic or aseismic motion along faults is an important goal for seismic hazard assessment and for geological reservoir monitoring. Seismicity rate increase in fluid injection areas where some events may reach magnitude greater than 5. How fluids may induce and control seismicity? High-pressure fluid injections were performed in limestones, in the damaged zone of an inactive fault at 280m depth. These in-situ experiments allow to study the seismological and hydromechanical responses (recorded by 31 sensors) of different fracture types to a fluid perturbation. Only a few tests have generated seismicity even if ruptures are observed with a displacement sensor at the injection point. 215 earthquakes were detected and are characterized by high frequency content (0.6 to 3 KHz) and weak magnitude (-4.1 to -3.1). The relative and absolute locations (1.5m accuracy) indicate a lack of events in the vicinity of injection borehole. Comparing cumulated seismic moment with an equivalent deformation moment, more than 96% of the deformation is aseismic. Two distinct seismic behavior show that at least one part of the seismicity might be controlled by a stress transfer in the medium. Moreover, the joined interpretation geological, mechanical, hydrogeological and seismic data allow to build bloc motions at the injection point. Finally, our experiments showed that fluid injection mainly drives aseismic motion and the seismicity might be only an indirect effect related to stress transferred from the volume deformed by fluid pressurization.

Dans la région de Tahoua (Niger), qui fait partie du bassin des Iullemeden, le système aquifère multicouche profond du Continental Intercalaire/Hamadien (CI/H) représente une réserve essentielle. Il est utilisé pour l'alimentation en eau potable des populations, pour les besoins en eau des industries extractives, et pour l'abreuvage du bétail, en raison de la dégradation de la qualité et le très faible débit des nappes phréatiques, et de celles du Crétacé supérieur. Malgré quelques études hydrogéologiques classiques conduites sur ce système aquifère, il reste mal connu, notamment en ce qui concerne la répartition des différentes masses d'eau et leurs temps de résidence/renouvellement. Cette étude, principalement fondée sur une approche hydrogéochimique et isotopique, vise à améliorer les connaissances sur le système aquifère du CI/H afin d'optimiser sa gestion durable. Les données ont été obtenues à partir de cartes géologiques et des fiches techniques de forage, de diagraphie, et d'essais de pompage. En outre, des échantillons d'eau ont été prélevés dans 30 forages répartis régulièrement dans la zone d'étude (114 425 km2). Des paramètres (pH, t et CE) ont été mesurés in situ et les échantillons ont été acheminés au laboratoire GEOPS où des analyses chimiques (ions majeurs) et isotopiques (18O, 2H, 13C, 14C) ont été effectuées. À partir des coupes géologiques, la couche du CH est présente au-dessus des couches CI dans la partie sud de la région mais pas dans la partie nord. Cependant, la piézométrie est continue sur toute la région. Dans la partie située au nord (au-dessus de 16°N), les lignes d'écoulement sont dirigées des affleurements du CI (est) vers l'ouest, et dans la partie située au sud (au-dessous de 16°N), des affleurements du CH (nord-est) vers le sud-ouest. La teneur en isotopes stables de l'eau (vs V-SMOW) varie de -8 à -7 ‰ pour 18O et de -59 à -48 ‰ pour 2H dans la partie nord (CI) et de -6 à -5 ‰ pour 18O et - 51 à -41 ‰ pour 2H dans la partie sud (CH), montrant deux masses d'eau différentes. Toutes ces teneurs sont très inférieures à celles correspondant aux précipitations actuelles, qui ne contribuent donc pas significativement à la recharge. Ceci est en accord avec les "âges" des eaux souterraines (5 à 36 ka) calculés à partir des teneurs en 14C (1 à 57 pmC), qui sont également en bon accord avec la piézométrie. Ainsi, même si la piézométrie continue du système aquifère du CI/H indique que les pressions sont en équilibre entre les différentes couches, les caractéristiques géochimiques montrent des différences notables entre la partie sud, où la couche de CH est présente, et la partie nord, où elle est absente. Les échanges d'eau entre les différentes couches sont donc très limités. Dans toutes ces couches, les eaux souterraine sont vieilles (> 5ka) et ont été rechargées sous un climat plus frais qu'aujourd'hui. Il est probable qu'elles soient largement héritées de périodes humide du Pléistocène supérieur et de la "Période Humide Africaine" (~ 15-5 ka) et devraient être gérées comme une ressource fossile. / In the region of Tahoua (Niger), which is part of the Iullemeden basin, the deep multilayer aquifer system of the Continental Intercalaire/Hamadien (CI/H) represents an essential reserve. It is exploited for the drinking-water supply for the local population, for the extractive-industry's water use and for the watering of cattle, because of the degradation of water quality and the very low flow in shallow aquifers and Upper Cretaceous aquifers. Despite some classical hydrogeological studies, this system remains poorly known, particularly with regard to the distribution of the different water bodies and their residence/renewal times. This study, mainly based on a geochemical and isotopic approach, aims to improve knowledge on the CI/H system in order to optimize its sustainable management. Data were obtained from geological maps, and data-sheets of drilling, pumping and logging test. In addition, water samples were collected from 30 boreholes regularly distributed over the study area (114 425 km2). Some parameters (pH, t and EC) were measured in situ and the samples were sent to the GEOPS laboratory where chemical (major ions) and isotopic (stable isotopes in water, 14C, 13C) analyses were performed. From geological cross-sections, the CH layer is present above the CI layers in the southern part of the region but not in the northern part. However, piezometry is continuous over the whole region. In the northern part (above 16°N), the flow lines are directed from the CI outcrops (east) to west and in the southern part (below 16°N), from the CH outcrops (east) to south-west. Stable isotope contents of water (vs V-SMOW) range from -8 to -7 ‰ for 18O and from -59 to -48 ‰ for 2H in the northern part (CI) and from -6 to -5 ‰ for 18O and -51 to -41 ‰ for 2H in the southern part (CH), showing two different water masses. All these values are much lower than those corresponding to present-day precipitation, which does not significantly contribute to recharge. This is in agreement with the groundwater "ages" (5 to 36 ka) calculated from 14C contents (1 to 57 pmC), which are also in good agreement with piezometry. Therefore, even if the continuous piezometry of the deep aquifer system of CI/H indicates that pressures are in equilibrium between the different layers, the geochemical features show noticeable differences between the southern part, where the CH layer is present, and the northern part, where it is absent. Thus, water exchanges between the different layers are very limited. In all these layers, groundwater is old (> 5ka) and was recharged under a cooler climate than at present. Probably, it is largely inherited from Upper-Pleistocene wet periods and from the "African Humid Period" (~15-5 ka) and should be managed as a fossil resource

Une investigation cryohydrogéophysique de proche surface a été menée dans un petit bassin versant à proximité de la communauté Inuite d’Umiujaq, au Québec nordique. Cette investigation s’inscrit dans la cadre du déploiement du réseau Immatsiak, un réseau de puits d’observation des eaux souterraines en zone de pergélisol discontinu dans un contexte de changements climatiques. Le but de cette investigation est de recueillir de l’information sur la structure des dépôts quaternaires qui abritent l’aquifère, la distribution du pergélisol et la topographie du socle rocheux afin de créer un modèle cryohydrogéologique tridimensionnel (3D) du bassin versant. Ultimement, ce modèle sera utilisé pour des travaux de simulation numérique de l’écoulement de l’eau souterraine dans le bassin versant afin d’évaluer les impacts du réchauffement climatique sur cette ressource naturelle exploitable pour alimenter en eau potable les communautés Inuites. L’approche géophysique employée se base principalement sur la tomographie de polarisation provoquée, une méthode électrique bien adaptée à l’investigation de dépôts meubles en présence de sols gelés. Cependant, l’extraction d’information quantitative de cette investigation pour contraindre la construction du modèle cryohydrogéologique 3D représente un défi. Pour y parvenir, une méthodologie d’interprétation quantitative basée sur les concepts de modélisation directe et d’inversion en géophysique a été développée. Cette méthodologie fait appel aux gradients de résistivité et de chargeabilité électrique pour localiser les contacts entre les différentes unités géologiques du bassin versant étudié afin de lever certaines ambiguïtés et d’accroître l’objectivité de l’interprétation. Le recours à deux autres méthodes géophysiques complémentaires, soit le géoradar et la sismique réfraction, a permis d’accroître d’avantage l’objectivité des interprétations et d’ajouter des contraintes pour la construction du modèle cryohydrogéologique 3D. Le développement du modèle s’appuie sur une approche dite génétique qui définit un nombre restreint de géofaciès sur la base des mécanismes en jeu au moment de leur mise en place. Cette approche fournit une vision cohérente des relations stratigraphiques et des changements de propriétés physiques à l’échelle du bassin versant. Le modèle cryohydrogéologique 3D présenté dans ce mémoire est le fruit d’une synthèse de l’information tirée des investigations géophysiques, de forages, d’essais de pénétration au cône, de cartographie des dépôts de surface par photo-interprétation et d’un modèle numérique de terrain.

Le captage et le stockage du dioxyde de carbone est une technologie qui a pour but de capter les émissions de CO₂ d’origine industrielle et de les injecter vers des réservoirs géologiques, afin d’isoler durablement le gaz séquestré du cycle du carbone, et de permettre ainsi de diminuer les émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Au Québec, le bassin sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent est la structure géologique la plus prometteuse pour l’injection du CO₂ car le bassin est composé d’aquifères salins, notamment l’unité gréseuse de Covey Hill, disposant d’un volume poreux autorisant le stockage de plusieurs milliards de tonnes de CO₂. De plus, ces aquifères sont surmontés d’épaisses roches de couverture, les shales d’Utica et de Lorraine, permettant de limiter la migration verticale du CO₂ vers la surface. Toutefois, l’augmentation de pression reliée à l’injection de plusieurs milliards de tonnes de CO₂ pourrait avoir des impacts hydrogéologiques à l’échelle du bassin, tels que la remontée de la surface libre dans les formations affleurantes, et les migrations latérale et verticale des saumures, vers des aquifères d’eau douce. L’objectif principal de cette thèse est donc d’évaluer les impacts hydrogéologiques potentiels de la séquestration géologique du CO₂ à l’échelle du bassin des Basses-Terres du Saint-Laurent. Afin d’évaluer ces impacts, les perméabilités des formations paléozoïques du bassin ont été évaluées grâce à la ré-interprétation des essais en bout de tiges réalisés dans le bassin, lors de l’exploration qui y a été menée pour la recherche d’hydrocarbures. Ces résultats ont été compilés avec des analyses des carottes de forage pour former un modèle hydrostratigraphique des différentes unités et un modèle conceptuel des écoulements dans le bassin. Ensuite, un modèle numérique en trois dimensions du bassin a été créé afin de simuler différents scénarios d’injection. Les simulations numériques ont permis de montrer l’importance des failles, qui découpent le bassin en différents compartiments, comme éléments capables de limiter les impacts potentiels de l’injection. Ainsi, les simulations ont montré que deux puits d’injection localisés dans deux compartiments différents permettent une injection pouvant atteindre 10 Mt/an éq. CO₂, équivalent à la somme des émissions industrielles captables dans le bassin, durant 100 ans, sans générer d’impacts hydrogéologiques à l’échelle du bassin. En raison de la grande incertitude sur les données d’entrée du modèle, une analyse de sensibilité a été menée pour tenter de définir dans quelles conditions des impacts hydrogéologiques pouvaient se faire ressentir à l’échelle du bassin. Cette analyse a montré que seulement dans un cas très défavorable, pour lequel les failles et l’aquifère sommital voient leurs perméabilités augmenter et pour lequel le sommet du modèle est une limite à flux nul, une remontée de la surface libre d’un à dix-huit mètres pouvait être simulée selon la valeur de la porosité de drainage des formations de surface. L’analyse de sensibilité a aussi montré l’importance du coefficient d’emmagasinement comme étant le paramètre hydrodynamique ayant la plus grande influence dans l’élévation de la charge hydraulique dans le bassin. Les simulations ont aussi montré que la migration de saumures vers la surface est peu probable et que les failles du bassin, présentées comme peu perméables, participent à la diminution des fuites horizontales de saumures. Cependant, il est possible que ces failles permettent la fuite verticale de saumures vers la surface à travers la zone endommagée entourant le coeur de la faille. L’analyse numérique a montré que le coefficient d’emmagasinement des formations, la porosité de drainage à la surface, la perméabilité et l’extension des failles devaient être mieux définis pour obtenir des résultats de simulation plus univoques. Les simulations présentées dans cette thèse bénéficient d’une approche originale, privilégiant la caractérisation géologique détaillée du bassin à la simulation exhaustive des phénomènes physiques pouvant être modélisés. / Geological carbon sequestration is a technology aiming at transferring CO₂ from industrial facilities to geologic reservoirs, insulating the sequestered gas from the carbon cycle, allowing to reduce anthropic greenhouse gas emissions. In the province of Quebec, the most promising geological structure for carbon capture and storage is the St. Lawrence Lowlands sedimentary basin. This basin contains saline aquifers in which it is potentially possible to store several billion tons of CO₂. These aquifers are overlain by thick impervious caprocks, the Utica and Lorraine shales, preventing vertical migration of CO₂ toward the surface. However, such an injection implies that hydrogeological impacts of injection may be transmitted within the entire basin as pressure builds up, which may lead to water table rise in unconfined aquifers, and horizontal and vertical brine leakage from the reservoir to freshwater aquifers. The main objective of this thesis is to assess potential hydrogeological impacts of CO₂ sequestration at the basin scale in the St. Lawrence Lowlands basin. In order to assess these impacts, the permeabilities of the Paleozoic formations have been evaluated by reinterpreting the raw data of drillstem tests that have been conducted in the basin, during hydrocarbon exploration campaigns. These results have been integrated into a core plug analysis database to create a hydrostratigraphic model of the units and a conceptual flow model of the basin. Subsequently, a 3D geological model of the St. Lawrence Lowlands basin has been modified to incorporate faults and has been imported into the FEFLOW numerical model to simulate the injection of CO₂ in the basin. The simulations demonstrate the role played by faults, which divide the basin into multiple compartments and limit the pressure buildup across the basin. Simulations show that two wells located in two different compartments are enough to maintain an injection rate of 10 Mt/yr eq. CO₂ during a hundred years without generating hydrogeological impacts. Due to the significant uncertainty that affects parameter values, a sensitivity analysis has been undertaken to define a set of conditions that allow hydrogeological impacts to occur at the basin scale. This analysis has shown that only under very unfavorable conditions, in which faults and the top aquifer have a high hydraulic conductivity and the top boundary of the domain is a no-flow boundary condition, a watertable rise ranging from 1 to 18 meters may occur, depending on the specific yield of the uppermost formations. The sensitivity analysis has also shown that the specific storage is an important hydrodynamic parameter explaining pressure buildup within the basin, but is also the most uncertain parameter. Simulations have shown that brine leakage to the surface is unlikely. Faults, which have a low hydraulic conductivity, also tend to lower the risk of horizontal brine leakage. However, vertical brine leakage to the surface is possible through the damaged zones surrounding fault cores. Numerical analysis has shown that the storage coefficient, the specific yield of surface formations, the permeability and proximity to the surface of faults have to be better defined for better predicting the impacts of CO₂ injection in the basin. The simulations conducted during this thesis present an original approach, favoring detailed geological characterization of the basin over an exhaustive simulation of physical phenomena.

En bordure de la vallée du Rhône,le massif urgonien des Gras ,est profondément entaillé par les gorges de l'Ardèche au niveau desquelles émergent de nombreux systèmes karstiques. Les caractéristiques lithologiques de l'aquifère urgonien et des formations adjacentes, la fracturation induite par la présence d'un accident majeur la faille de Saint-Remèze, définissent la répartition et la nature des émergences du massif. L'étude du comportement hydrogéologique des mégaaccidents N 50 et N 140, les opérations de traçages systématiques, aboutissent à une délimitation des bassins versants de l'Ardèche, du Rhône et de la Cèze. L'évaluation des volumes d'eau infiltrée, à partir des données hydroclimatiques , met en évidence l'importance des réserves renouvelables. Des jaugeages différentiels sur l'Ardèche confortent ces résultats en quantifiant les apports immergés durant une période d'étiage. Les modalités de circulation des eaux sont appréhendées grâce aux études hydrochimiques, hydrodynamiques et à des expériences de traçage. Le karst actif se révèle peu évolué et varie de zones de calcaires fissurés à des réseaux à collecteur développé, mais à faibles réserves. La vulnérabilité de cet aquifère qui tend à augmenter avec la pression touristique sur le plateau, est principalement marquée au niveau des pertes de ruisseaux. La collecte des données géomorphologiques prouve l'existence de plusieurs épisodes de karstification. Une phase de karstification profonde, localisée dans l'axe des gorges et en bordure de la vallée du Rhône , est mise en relation avec le creusement des gorges. Ces deux évènements sont liés à la régression fini~miocène. Une puissante zone noyée oocupe ces réseaux anciens dont le toit est recoupé par l'Ardèche et le karst actuel. De fortes potentialités aquifères inexploitées s' ajoutent aux réserves de surface.