Le bassin versant du Bandama blanc amont, au nord de la Côte d’Ivoire, est situé sur un socle fissuré, composé de granites et de schistes, et constitue un aquifère pérenne pour l’approvisionnement en eau des populations. Cet aquifère de type fissuré est mal connu, tant dans la géométrie des réservoirs que dans le potentiel hydrogéologique des réserves qu’il contient. La précarité des populations rurales est en partie liée au manque d’eau potable ainsi qu’au nombre encore insuffisant des points d’approvisionnement. Un nombre important d’échecs a été observé lors de la réalisation des ouvrages de captages des eaux souterraines, dont l'une des causes est une faible connaissance du fonctionnement du milieu. Cette étude consiste à améliorer les connaissances sur le fonctionnement hydrodynamique des réservoirs du socle fissuré (géométrie des aquifères, paramètres hydrodynamiques, recharge, disponibilité de la ressource) en vue de l’installation d’ouvrages de captage.L’approche méthodologique multidisciplinaire intègre des méthodes d’hydrogéophysique, d’hydrogéologie, de géologie et de chimie. Il s’agit de développer de nouvelles techniques et outils appropriés de prospection pour affiner la caractérisation du socle fissuré, afin de mieux contraindre l'exploitation des sites, notamment en termes de stabilité des débits prélevés.Pour étudier l’aquifère de socle du bassin versant du Bandana blanc amont, nous avons couplé des mesures électromagnétiques aux données lithologiques pour affiner la géométrie de l'aquifère et de mieux contraindre le choix pour les futurs localisations des forages. Cette étude présente donc une nouvelle approche hydrogéophysique pour améliorer la connaissance des ressources importantes dans un aquifère de socle, à l’échelle locale ou régionale, par l'utilisation du système électromagnétique multifréquentiel PROMIS. L'interprétation des résultats a conduit à proposer des modèles multicouches conformes à la structuration lithologique et discontinuités géologiques en place, et à la localisation de l'aquifère, sa géométrie et les interfaces de sa base et du toit.Cette méthode est efficace pour améliorer la caractérisation de l’aquifère de socle, et les résultats ont révélé une bonne concordance entre les sondages (1D), la section de résistivité (2D), les forages et les structures géologiques.La géométrie de l’aquifère présente une structure multicouche présentant de haut en bas de la cuirasse ferrugineuse, des arènes argileuses, une zone fissurée reposant sur un substratum rocheux. Nous sommes en présence d’une nappe captive, sous pression sous les argiles, contenue dans les arènes et la frange fissurée, et présentant une épaisseur variable entre 15 et 30 m. Une connaissance détaillée de la géométrie de l'aquifère locale constitue la première étape cruciale avant d'aller plus loin dans une étude hydrogéologique complète. / The upstream watershed of White Bandama, north of Ivory Coast, is located on a fissured hard-rock, composed of granites and schists, and is a perennial aquifer for populations’ water supply. The upstream watershed of White Bandama, northern Ivory Coast, is located on a hard-rock aquifer which geometry and potential as an hydrogeological reserve is not yet well characterized. Insecurity of rural populations is partly due to lack of drinking water as well as still inadequate number of water supply points. A significant number of failures was observed when performing wells and boreholes for groundwater, one of the causes is a weak scientific knowledge on the environment.This study is to improve knowledge on the hydrodynamic behavior of the hard rock reservoir (geometry of aquifers, hydrodynamic parameters, recharge, availability of the resource) in order to drill perennial boreholes.The multidisciplinary methodological approach integrates hydrogeophysics, hydrogeology, geology, chemistry methods. It is to develop new techniques and appropriate exploration tools to refine the characterization of fissured hard-rock to better constrain the operation of sites, especially in terms of stability of pomped yield.To study the hard-rock aquifer of upstream watershed of White Bandama, we coupled electromagnetic measurements to lithological data to refine the geometry of the aquifer and to better constrain the choice for future drilling locations. This study presents a new hydrogeophysical approach using the multifrequency electromagnetic device PROMIS® to improve knowledge of resources on hard-rock aquifer, at the local or regional level.Our geophysical data are interpreted with multi-layer models consistent with the discontinuities observed in lithology logs and the geology of the site. This method is effecient to improve the characterization of the hard-rock aquifer, and the results showed good agreement between the soundings (1D), the resistivity cross-section (2D), drillings and geological structures.Results allow to precise the local thicknesses of the 3 main units of our study area down to 50 m, being from top to down, saprolite, a fissured-rock zone and the rock substratum. The fissured-rock zone constitutes the main aquifer unit under pressure, interesting target for productive water wells. Its thickness ranges from 15 to 30 m. A detailed knowledge of the local aquifer geometry constitutes the first and crucial step before going further into a complete hydrogeological study.

Située à l'interface entre les eaux de surface et les eaux souterraines, la zone hyporhéique (ZH) est depuis maintenant plusieurs décennies considérée comme une zone cruciale pour la préservation des milieux aquatiques. Elle constitue souvent un indicateur fiable de la bonne qualité des eaux et une niche écologique primordiale pour de nombreuses espèces. Mais elle est aussi le lieu d'interaction entre deux masses d'eau de signature différente, ce qui conduit à la formation d'un milieu extrêmement fragile et siège d'un grand nombre de réactions biogéochimiques. L'objectif principal de cette thèse est de parvenir à une meilleure compréhension de la dynamique des échanges au sein de la zone hyporhéique. L'approche de cette problématique s'est faite sous un aspect innovant en couplant une démarche hydrogéologique "classique" à l'aide de mesures hydrodynamiques et géochimiques, et l'utilisation de la tomographie de résistivité électrique (ERT). Plusieurs campagnes de terrain ont été menées sur la rivière Essonne, choisie comme lieu d'expérimentation. Différents outils de prélèvement et/ou de mesure ont été mis en place et un grand nombre de mesures à différentes périodes de l'année ont été réalisées. Des expériences assez techniques et innovantes de suivi d'un abaissement et relèvement de barrage, ainsi qu'un traçage artificiel au sel ont pu être effectués grâce à la collaboration avec le syndicat chargé de la gestion et l'aménagement d'une partie du réseau hydrographique de l'Essonne (SIARCE). En parallèle avec cette étude expérimentale, une maquette numérique 3D de la zone d'étude a été réalisée à l'aide du logiciel HydroGeoSphere. Des tests de sensibilité ont permis d'identifier les paramètres hydrodynamiques les plus importants et de quantifier leur impact sur la formation et l'évolution de la zone hyporhéique. Finalement, les premières simulations des expériences menées sur le terrain ont permis de confronter l'approche expérimentale et l'approche théorique. / The Hyporheic Zone (HZ) is located at the interface between surface water and groundwater. For several decades it is considered as a hotspot for the development of a rich aquatic environment in rivers. Its system is often considered as a reliable indicator for water quality and a primary ecological niche for many species. From a hydrological point of view, it is also the place of interaction between two distinct water bodies with different geochemical signatures. This place of mixing forms a very fragile equilibrium where many biogeochemical reactions can occur. The objective of this thesis is to reach a better understanding of mixing and water fluxes in a dynamic context within the hyporheic zone. An innovative method was used by coupling a "classic" hydrogeological approach with hydrodynamic and geochemical measurements with Electrical Resistivity Tomography (ERT). Several field campaigns were done on the Essonne river as experimental site. A large number of measurements were done at various periods of the year and field equipment for water sampling and measurements were installed during these three years. Technical and innovative experiments were conducted such as a dam lowering and rising and an artificial salt tracer test in collaboration with the federation in charge of organization and management of the Essonne network. Finally, a 3D-model of the studied area was built with the HydroGeosphere software. The main hydrodynamic parameters have been tested in order to understand their impact and their variation in a static or dynamic environment on the hyporheic system and its development. In addition, field experiments were reproduced to compare the experimental and theoretical approach.

The knowledge of the dynamics of soil water is essential in agricultural, hydrological and environmental engineering as it controls plant growth, key hydrological processes, and the contamination of surface and subsurface water. Nearby remote sensing can be used for characterizing non-destructively the hydrogeophysical properties of the subsurface. In that respect, ground penetrating radar (GPR) constitutes a promising high resolution characterization tool. However, notwithstanding considerable research has been devoted to GPR, its use for assessing quantitatively the subsurface properties is constrained by the lack of appropriate GPR systems and signal analysis methods. In this study, a new integrated approach is developed to identify from GPR measurements the soil water content and hydraulic properties governing water transfer in the subsurface. It is based on hydrodynamic and electromagnetic inverse modeling. Research on GPR has focused on GPR design, forward modeling of GPR signal, and electromagnetic inversion to estimate simultaneously the depth dependent dielectric constant and electric conductivity of the shallow subsurface, which are correlated to water content and water quality. The method relies on an ultrawide band stepped frequency continuous wave radar combined with an off-ground monostatic TEM horn antenna. This radar configuration offers possibilities for real time mapping and allows for a more realistic forward modeling of the radar-antenna-subsurface system. Forward modeling is based on the exact solution of Maxwell's equations for a stratified medium. The forward model consists in elementary linear components which are linked in series and parallel. The GPR approach is validated for simple laboratory and outdoor conditions. GPR signal inversion enables the monitoring of the soil water dynamics, which can be subsequently inverted for estimating the soil hydraulic properties. A specifically designed hydrodynamic inverse modeling procedure which requires only water content data as input is further developed and validated to obtain the soil hydraulic properties under laboratory conditions.

Radio magnetotellurics (RMT), crosshole ground penetrating radar (GPR), and crosshole electrical resistance tomography (ERT) were applied in a range of hydrogeological applications where geophysical data could improve hydrogeological characterization. A profile of RMT data collected over highly resistive granite was used to map subhorizontal fracture zones below 300m depth, as well as a steeply dipping fracture zone, which was also observed on a coinciding seismic reflection profile. One-dimensional inverse modelling and 3D forward modelling with displacement currents included were necessary to test the reliability of features found in the 2D models, where the forward models did not include displacement currents and only lower frequencies were considered. An inversion code for RMT data was developed and applied to RMT data with azimuthal electrical anisotropy signature collected over a limestone formation. The results indicated that RMT is a faster and more reliable technique for studying electrical anisotropy than are azimuthal resistivity surveys. A new sequential inversion method to estimate hydraulic conductivity fields using crosshole GPR and tracer test data was applied to 2D synthetic examples. Given careful surveying, the results indicated that regularization of hydrogeological inverse problems using geophysical tomograms might improve models of hydraulic conductivity. A method to regularize geophysical inverse problems using geostatistical models was developed and applied to crosshole ERT and GPR data collected in unsaturated sandstone. The resulting models were geologically more reasonable than models where the regularization was based on traditional smoothness constraints. Electromagnetic geophysical techniques provide an inexpensive data source in estimating qualitative hydrogeological models, but hydrogeological data must be incorporated to make quantitative estimation of hydrogeological systems feasible.

Le territoire burkinabè est constitué à plus de 80% de formations de socle. Ces formations renferment des ressources en eau souterraine qui constitue la seule source en eau potable de certaines populations. Cependant, le quart des forages réalisés en vue d’exploiter ces eaux sont négatifs. Une bonne compréhension du fonctionnement hydrogéologique et hydrodynamique des aquifères de socle qui sont très hétérogènes peut aider à résoudre ce problème. L’objectif de la thèse est de proposer un modèle conceptuel hydrogéologique en milieu de socle fracturé soudano-sahélien en combinant différentes méthodes hydrogéophysiques et hydrogéologiques classiques. Le site expérimental de Sanon (environ 14 km2) a été choisi comme site d’étude en raison de sa géologie qui est représentative de certaines formations de socle de l’Afrique de l’Ouest. Les résultats indiquent que le profil d’altération de Sanon est cohérent avec d'autres modèles proposés ces dernières années, suggérant que la conductivité hydraulique des aquifères de socle est une conséquence des processus d'altération plutôt que de la fracturation tectonique. Concernant les propriétés hydrodynamiques, une corrélation linéaire positive d’environ 80% a été obtenue entre les transmissivités et les paramètres RMP. La présence d’un dôme piézométrique dans la vallée centrale a été observée en toute saison. La recharge se fait directement au niveau de ce dôme piézométrique (11 et 13% de la pluie annuelle) et l’alimentation des zones périphériques se ferait plutôt par des transferts latéraux. L’ensemble des informations géologiques et hydrogéologiques a permis de faire une simulation numérique qui reproduit l’écoulement observé. / More than 80% of Burkina Faso subsoil is composed of hard rocks. These hard rocks contain ground water resources which are the only drinking water for some people. Yet, the quarter of the boreholes drilled to exploit these waters are negative. A good understanding of the hydrogeological and hydrodynamic functioning of hard rock aquifers which are very heterogeneous can help to solve that problem. The objective of the thesis is to propose a hydrogeological conceptual model of hard rock aquifer under Sudano-Sahelian climate by combining different hydrogeophysical and hydrogeological methods. The Sanon experimental site (14 km² catchment area) was chosen as the study site because of its geology, which is representative of some hard rocks in West Africa. The results show that Sanon weathering profile model is consistent with other models proposed in recent years, suggesting that the hydraulic conductivity of hard rock aquifers is a consequence of weathering processes, rather than tectonic fracturing. Concerning hydrodynamic properties, a positive linear correlation of about 80% was obtained between the transmissivities and the MRS parameters. The presence of a piezometric dome in the central valley on all the piezometric maps produced in both low and high waters was observed. As for recharging, it is done directly in the zone of the piezometric dome (between 11 and 13% of annual rainfall) and the feeding of the peripheral zones would be rather by lateral transfers. The set of geological and hydrogeological data allowed the performance of a numerical simulation in steady state which reproduces well the observed flow.

Temporal gravimeter observations, used in geodesy and geophysics to study variation of the Earth’s gravity field, are influenced by local water storage changes (WSC) and – from this perspective – add noise to the gravimeter signal records. At the same time, the part of the gravity signal caused by WSC may provide substantial information for hydrologists. Water storages are the fundamental state variable of hydrological systems, but comprehensive data on total WSC are practically inaccessible and their quantification is associated with a high level of uncertainty at the field scale. This study investigates the relationship between temporal gravity measurements and WSC in order to reduce the hydrological interfering signal from temporal gravity measurements and to explore the value of temporal gravity measurements for hydrology for the superconducting gravimeter (SG) of the Geodetic Observatory Wettzell, Germany. A 4D forward model with a spatially nested discretization domain was developed to simulate and calculate the local hydrological effect on the temporal gravity observations. An intensive measurement system was installed at the Geodetic Observatory Wettzell and WSC were measured in all relevant storage components, namely groundwater, saprolite, soil, top soil and snow storage. The monitoring system comprised also a suction-controlled, weighable, monolith-filled lysimeter, allowing an all time first comparison of a lysimeter and a gravimeter. Lysimeter data were used to estimate WSC at the field scale in combination with complementary observations and a hydrological 1D model. Total local WSC were derived, uncertainties were assessed and the hydrological gravity response was calculated from the WSC. A simple conceptual hydrological model was calibrated and evaluated against records of a superconducting gravimeter, soil moisture and groundwater time series. The model was evaluated by a split sample test and validated against independently estimated WSC from the lysimeter-based approach. A simulation of the hydrological gravity effect showed that WSC of one meter height along the topography caused a gravity response of 52 µGal, whereas, generally in geodesy, on flat terrain, the same water mass variation causes a gravity change of only 42 µGal (Bouguer approximation). The radius of influence of local water storage variations can be limited to 1000 m and 50 % to 80 % of the local hydro¬logical gravity signal is generated within a radius of 50 m around the gravimeter. At the Geodetic Observatory Wettzell, WSC in the snow pack, top soil, unsaturated saprolite and fractured aquifer are all important terms of the local water budget. With the exception of snow, all storage components have gravity responses of the same order of magnitude and are therefore relevant for gravity observations. The comparison of the total hydrological gravity response to the gravity residuals obtained from the SG, showed similarities in both short-term and seasonal dynamics. However, the results demonstrated the limitations of estimating total local WSC using hydrological point measurements. The results of the lysimeter-based approach showed that gravity residuals are caused to a larger extent by local WSC than previously estimated. A comparison of the results with other methods used in the past to correct temporal gravity observations for the local hydrological influence showed that the lysimeter measurements improved the independent estimation of WSC significantly and thus provided a better way of estimating the local hydrological gravity effect. In the context of hydrological noise reduction, at sites where temporal gravity observations are used for geophysical studies beyond local hydrology, the installation of a lysimeter in combination with complementary hydrological measurements is recommended. From the hydrological view point, using gravimeter data as a calibration constraint improved the model results in comparison to hydrological point measurements. Thanks to their capacity to integrate over different storage components and a larger area, gravimeters provide generalized information on total WSC at the field scale. Due to their integrative nature, gravity data must be interpreted with great care in hydrological studies. However, gravimeters can serve as a novel measurement instrument for hydrology and the application of gravimeters especially designed to study open research questions in hydrology is recommended. / Zeitabhängigen Gravimetermessungen, die in der Geodäsie und der Geophysik eingesetzt werden, um Variationen des Erdschwerefelds zu messen, werden durch lokale Wasserspeicheränderungen beeinflusst und verursachen – aus dieser Perspektive – ein hydrologisches Störsignal in den Gravimetermessungen. Gleichzeitig bietet der Teil des Gravimetersignals, der durch Wasserspeicheränderungen hervorgerufen wird, das Potential wichtige Informationen über hydrologische Speicher zu gewinnen, da zwar Wasserspeicher eine grundlegende Zustandsgröße hydrologischer Systeme darstellt, jedoch ihre Quantifizierung mit einem hohen Maß an Unsicherheiten auf der Feldskala behaftet ist. Diese Studie untersucht die Beziehung zwischen zeitabhängigen Gravimetermessungen und Wasserspeicheränderungen, um die Gravimetermessungen von dem hydrologischen Störsignal zu bereinigen und um den Nutzen der Gravimetermessungen für die Hydrologie zu erkunden. Dies geschieht am Beispiel des Supraleitgravimeters (SG) des Geodätischen Observatoriums Wettzell in Deutschland. Ein 4D Vorwärtsmodel mit einer räumlich genesteten Diskretisierungsdomäne wurde entwickelt, um die lokalen hydrologischen Masseneffekte auf Gravimetermessungen zu simulieren. Des Weiteren wurde ein intensives Messsystem am Geodätischen Observatorium Wettzell installiert, um die Wasserspeicheränderungen in allen relevanten Speicherkomponenten, also im dem Grundwasser, in der ungesättigten Zone und im Schneespeicher zu messen. Das Monitoringsystem beinhaltete auch einen wägbaren, monolithischen Lysimeter mit Matrixpotentialübertragung, der es uns ermöglichte, zum ersten Mal einen Lysimeter direkt mit einem Gravimeter zu vergleichen. Die Lysimetermessungen wurden in Kombination mit komplementären hydrologischen Beobachtungen und einem 1D-Modell verwendet, um die Wasserspeicheränderungen auf der Feldskala zu bestimmen. Die Gesamtwasserspeicheränderungen wurden bestimmt, Unsicherheiten abgeschätzt und der hydrologische Masseneffekt auf Gravimetermessungen berechnet. Schlussendlich wurde ein einfaches, konzeptionelles, hydrologisches Modell mittels der Zeitreihen von dem SG, Bodenfeuchte- und Grundwassermessungen kalibriert und evaluiert. Das Modell wurde durch einen “Split-Sample-Test” evaluiert und basierend auf unabhängig bestimmten Wasserspeicheränderungen bestimmt auf Grundlage der Lysimetermessungen validiert. Die Simulation des hydrologischen Masseneffektes auf Gravimetermessungen zeigte, dass Wasserspeicheränderungen von einem Meter Höhe entlang der Topographie, einen Erdschwereeffekt von 52 µGal hervorriefen, während in der Geodäsie im Allgemeinen die gleiche Wassermassenvariation in flachem Terrain eine Erdschwereeffekt von nur 42 µGal (Bouguer-Platte) hervorruft. Der Einflussradius der lokalen Wasserspeicheränderungen kann auf 1000 m begrenzt werden, und 50 % bis 80 % des lokalen hydrologischen Erdschweresignals wird in einem Radius von 50 m um den Gravimeter generiert. Wasserspeichervariationen in der Schneedecke, im Oberboden, dem ungesättigten Saprolith und im gelüfteten Aquifer, sind allesamt wichtige Größen der lokalen Wasserbilanz. Mit der Ausnahme von Schnee beeinflussen alle Speicheränderungen die Gravimetermessungen in derselben Größenordnung und sind daher für die Gravimetermessungen von Bedeutung. Ein Vergleich des lokalen hydrologischen Gravitationseffektes mit den SG Residuen zeigte sowohl ereignisbezogene als auch saisonalen Übereinstimmungen. Weiterhin zeigten die Ergebnisse jedoch auch die Grenzen bei der Bestimmung der gesamten lokalen Wasserspeichervariationen mithilfe hydrologischer Punktmessungen auf. Die Ergebnisse des Lysimeter-basierten Ansatzes zeigten, dass SG Residuen mehr noch, als bisher aufgezeigt, durch lokale Wasserspeicheränderungen hervorgerufen werden. Ein Vergleich der Resultate mit anderen Methoden, die in der Vergangenheit zur Korrektur zeitabhängiger Erdschwerebeobachtungen durch Bestimmung des lokalen hydrologischen Masseneffekte verwendet wurden, zeigte, dass die unabhängige Berechnung von Wasserspeicheränderungen durch Lysimetermessungen erheblich verbessert werden kann und dass diese somit eine verbesserte Methode zur Bestimmung des lokalen hydrologischen Erdschwereeffekts darstellt. Die Installation eines Lysimeters ist somit im Zusammenhang mit einer Reduzierung des hydrologischen Störsignals und an Standorten, wo zeitabhängige Erdschwerebeobachtungen für geophysikalische Studien, die über die lokale Hydrologie hinausgehen verwendet werden, zu empfehlen. Aus hydrologischer Sicht zeigte diese Studie, dass die Verwendung von zeitabhängigen Gravimetermessungen als Kalibrierungsdaten die Modellergebnisse im Vergleich zu hydrologischen Punktmessungen verbesserten. Auf Grund ihrer Fähigkeit, über verschiedene Speicherkomponenten und ein größeres Gebiet zu integrieren, bieten Gravimeter verallgemeinerte Informationen über die Gesamtwasserspeicherveränderungen auf der Feldskala. Diese integrative Eigenschaft macht es notwendig, Erdschweredaten in hydrologischen Studien mit großer Vorsicht zu interpretieren. Dennoch können Gravimeter der Hydrologie als neuartiges Messinstrument dienen und die Nutzung von Gravimetern, die speziell für die Beantwortung noch offener Forschungsfragen der Hydrologie entwickelt wurden wird hier empfohlen.

L’île de La Réunion a été couverte par une vaste campagne de géophysique héliportée en 2014. Le dispositif SkyTEM a permis de cartographier l’anomalie du champ magnétique et la résistivité électrique du sous-sol jusqu’à 300 m de profondeur, et ce, sur l’ensemble de l’île. L’acquisition de ce jeu de données met en évidence la problématique de l’interprétation des données électromagnétiques héliportées à l’échelle régionale. L’interprétation d’un modèle 3D de résistivité d’une superficie 2 500 km2 nécessite la mise en place de méthodologies innovantes pour le confronter aux données géologiques, climatiques et hydrogéologiques. L’objectif de la thèse est de valoriser ce jeu de données géophysique à l’échelle régionale en intégrant l’analyse hydrogéologique à différentes échelles spatiales. Pour répondre à ces problématiques, cette thèse s’organise autour d’une méthodologie hydrogéophysique multi-échelle qui permet d’étudier la répartition et le fonctionnement des aquifères à des échelles inédites jusqu’alors. Pour interpréter les 350 000 sondages électromagnétiques de la campagne, une approche statistique a été développée pour synthétiser une information sur les contrastes 3D en 2D. Les résultats, cohérents avec les connaissances géologiques et hydrogéologiques de l’île, ont permis d’analyser l’impact des paramètres géologiques et climatiques régionaux sur la répartition des aquifères et les processus d’altération. Sur le littoral, les données de résistivité sont confrontées à des logs de conductivité électrique de l’eau souterraine afin de valider l’interprétation de la géophysique. Le modèle de résistivité permet ainsi de cartographier et d’analyser les paramètres de contrôle du phénomène d’intrusion saline à l’échelle de l’île. En altitude, l’utilisation conjointe des données électromagnétiques et magnétiques héliportées permet de caractériser la géométrie des structures géologiques et d’imager les profils et paléo-profils d’altération météorique. / In 2014, Reunion Island was covered by a vast airborne geophysics campaign. The SkyTEM device mapped magnetic anomalies and bulk resistivity at an extra 300 m depth throughout the island. The resulting dataset revealed the issue of interpreting airborne electromagnetic data at the regional scale. The interpretation of a 3D resistivity model wrapping 2 500 km2 requires the implementation of innovative methodologies to compare it with geological, climatic and hydrogeological data. The aim of the thesis is to enhance this geophysical dataset at the regional scale by integrating hydrogeological analysis at different spatial scales. To answer these issues, this thesis revolves around a multi-scale hydrogeophysical methodology, which allows to analyze how aquifers are distributed and their behaviors on unprecedented scales. A statistical approach has been developed to synthesize 3D geo-electrical contrasts in 2D to interpret the 350 000 soundings. All outcomes are consistent with the geological and hydrogeological knowledge of the island, enabling us to study how regional geological and climatic parameters impact the distribution of aquifers and weathering processes. In the coastal zone, resistivity data are compared with groundwater electrical conductivity logs to validate the interpretation of geophysics. Thus, the resistivity model helped mapping saltwater intrusion and analyzing its control parameters at the island scale. Inland, the combined use of airborne electromagnetic and magnetic data made it possible to characterize the geometry of geological structures and to image weathering profiles and paleo-profiles. Combining results gathered on various scales allows the analysis of weathering impact on aquifers of shield volcanoes. On the coastal zone, un-weathered and highly permeable lithological units (up to 10-1 m/s) are subject to saltwater intrusion, even with recharge rates up to 6 to 8 m per year. With decreasing transmissivity, aquifers become less exposed to saltwater intrusion. According to geophysics outcomes, the contacts between different eruptive phase products at high altitude are characterized by specific weathering paleo-profiles which create permeability contrasts conducive to perched aquifers establishment. Examining the geophysical response in different areas of the island made it possible to analyze the dynamics of weathering processes, initially controlled by the age of the formations and secondly, by the rainfall rates and the temperature. These results showed that weathering and structure of basaltic volcanoes depend on their age and on windward/leeward slopes. Thus, our research helped improve the accuracy of the conceptual hydrogeological model including geological structuring and time evolution of basaltic volcanic aquifers in an insular environment.

Le coefficient d'électrofiltration est simulé par méthode Lattice Boltzmann dans un chenal 2-D sur une grande gamme de salinité. L'influence de la permittivité et de la viscosité est discutée. La validité de l'équation d'Helmholtz Smoluchowski à de forts potentiels zeta est évaluée. Un modèle de conductivité intrinsèque est développé en prenant en compte les variations locales de conductivité, qui ont un impact significatif en la présence d'espèces polyvalentes. Étendu aux conditions non saturées, l'algorithme montre que la densité de charge électrique associée à l'interface eau-air est une composante clé. Le coefficient présente une attitude non monotone, avec une augmentation par rapport à l'état saturé. L'amplitude de cette augmentation dépend de l'état dynamique des bulles, mobiles ou piégées. L'aspect transport multiphasique est complété par une étude numérique de l'impact de la forme des échantillons sur la mesure des lois reliant saturation et pression capillaire en hydrologie. / The electrokinetic coefficient is simulated in a large range of salinities using the Lattice Boltzmann method in a 2-D channel. The effect of permittivity and viscosity is discussed. The validity of the Helmholtz Smoluchowski equation using strong zeta potentials is assessed. A model of bulk fluid conductivity is derived, taking into account the local variations of conductivity which have a significant impact in the presence of polyvalent counterions. Extended to unsaturated conditions, the model shows that the electrical charge density associated to the air-water interface is a key component. The coefficient shows a non monotonous behaviour, with an enhancement compared to the saturated state. The magnitude of this enhancement depends on the dynamic state of the bubbles, moving or entrapped. The multiphase transport aspect is associated to a numerical study of the influence of the sample geometry on the measurement of the capillary pressure / saturation relationships used in hydrology.

Ce projet de recherche répond à l'objectif d'améliorer notre connaissance des processus élémentaires contrôlant le comportement hydrologique post-rupture des glissements de terrain argileux, afin de pouvoir comprendre, reproduire et éventuellement prévoir leur comportement par des modèles hydromécaniques adaptés. Ce travail consiste à améliorer et développer des méthodes de traitement et d'interprétation de paramètres géophysiques en milieu argileux et hétérogène. Les objectifs principaux de ce travail sont : 1. D'améliorer des méthodes géophysiques et géodésiques de mesure de la déformation et de la géométrie interne des glissements. 2. De caractériser les relations possibles entre géométrie et structure interne du glissement. 3. De développer et améliorer des méthodes de détection et d'imagerie des circulations préférentielles de fluide dans un milieu fissuré et déformable. 4. De caractériser temporellement et spatialement les réponses hydrologiques du versant. Un algorithme d'inversion haute-résolution des temps de premières arrivées est développé. Il utilise les volumes de Fresnel pour rétropropager les résidus ainsi que l'hypothèse d'un signal source de bande-passante finie et permet de retrouver une image haute-résolution de la structure du glissement. L'atténuation sismique des ondes-P est également inversée pour retrouver la distribution des zones fissurées en surface. Des méthodes photogrammétriques sont utilisées pour caractériser et quantifier les déformations de surface. Une méthode alternative à la corrélation d'image est développée, fondée sur la détection et le suivi de cibles. Le lien entre les variations de régime de déformation le long du profil, et l'existence de fissures en surface est finalement discuté. Les informations précédentes sont ensuite intégrées dans un modèle géométrique par une méthode de fusion de données. Par la modélisation numérique, nous vérifions si l'état de contrainte calculé peut être en rapport avec la distribution de la fissuration en surface. Une méthode de correction de l'effet géométrique des fissures sur les résistivités apparentes est développée. Différents types d'artefacts d'inversion liés à la présence de fissure sont identifiés et la capacité de la méthode proposée à réduire ces artefacts est testée. Une méthodologie de sélection et de traitement des données ERT time-lapse acquises sur une période d'un an est développée. La réponse électrique courte (de quelques heures à quelques jours) aux évènements pluvieux naturels est ensuite analysée pour proposer des modèles conceptuels de réponse hydrologique à ces évènements pluvieux. / The objective of this research project is the improvement of our knowledge of the elementary processes controlling the post-rupture hydrological behavior of clayey landslides. It should allow understanding, reproducing and possibly forecasting their behaviors by the use of adapted hydro-mechanical models. This work consists in the improvement and the development of geophysical parameters processing and interpretation methodologies in clayey and heterogeneous medium. The main objectives of this work are : 1. The improvement of geophysical and geodesic methods to measure the internal geometry and structure of the landslide. 2. The characterization of possible relationships between landslide internal geometry and structure, presence of discontinuities, slope hydrology and deformations. 3. The development and improvement of methodology for the detection and imaging of preferential flows in a fissured and deformable medium. 4. The spatial and temporal characterization of the hydrological response of the slope. A high resolution inversion algorithm of the first seismic arrivals is developed. It uses the Fresnel volumes for the retropropagation of the residuals and the assumptions of a finite-bandwidth source signal. It permits to recover a high resolution image of the internal structure of the landslide. The seismic P-wave attenuation is also inverted to characterize surface fissured zones. Photogrammetric methods are used to characterize and quantify the surface deformations. A method alternative to image correlation is developed, based on the target detection and tracking. The link between changes in deformation regime along the profile and the existence of surface fissures is finally discussed. The previous data are integrated inside a geometric model trough data fusion. Using numerical modeling, we verify if the state of stress computed is related to the surface fissure density distribution. A methodology of correction of the geometrical effect of fissures on apparent resistivity is developed. Different types of inversion artefacts, linked to the presence of surface fissures, are identified. The ability of the proposed method to limit this artifact is tested. A methodology of selection and processing of the time-lapse ERT data is developed. The short electrical response (from several hours to several days) to natural rainfall events is analyzed and conceptual hydrological responses to these rainfall events are proposed.