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.

[pt] Os reservatórios de petróleo do pré-sal brasileiro são encontrados em rochas carbonáticas localizadas em ambiente offshore na borda da plataforma continental. Com o fim de explorar essas jazidas de forma mais segura e rentável, é essencial representá-las corretamente nos modelos de simulação de escoamento. Entretanto, esta não é uma tarefa simples. Essas rochas carbonáticas recorrentemente apresentam fraturas e carstes nos quais o escoamento se comporta de forma diferente da simulação tradicional utilizando porosidade única. Para solucionar o problema, existem técnicas que representam o escoamento através dos diversos meios porosos. No entanto, essas modelagens inserem diversas complexidades para a correta caracterização das formações geológicas e da previsão da produção. Nesse trabalho são analisados os impactos que algumas das características das fraturas, da matriz e da malha de poços têm no resultado das simulações com dupla porosidade e permeabilidade. / [en] Petroleum reservoirs of the Brazilian pre-salt are found in carbonate rocks located offshore at the edge of the continental shelf. To optimize the exploitation of these reservoirs, it is of paramount importance to properly represent them in the flow simulation models. Nevertheless, this is not a straightforward task. Carbonate rocks usually present fractures and karsts, where flow differs from what is traditionally represented by single porosity reservoir simulators. With the purpose of better modelling the fluid flow behavior through multiple media, alternative techniques exist. However, these alternatives require additional complexities and variables for the adequate characterization of the geologic formations and production forecast. In this work, the impact that some of the fracture and matrix characteristics and the well positioning have on the results of dual-porosity and dual-permeability simulations is addressed.

Sur la base des recherches menées dans les territoires de montagne et dans les milieux karstiques, dans les Alpes du Nord, en Slovénie, au Liban et en Ardèche, le mémoire présenté pour l'HDR interroge la notion de territoire, classique en géographie, à travers une grille d'interprétation qui croise tourisme et patrimoine. Les questions posées concernent : - La notion de ressource patrimoniale et touristique, le tri sur lequel cette notion est fondée pour déboucher sur sa valorisation actuelle. - Le marquage de l'espace, c'est-à-dire son appropriation à travers les toponymes, les monuments et les paysages mémoriels. - L'universalisme ou au contraire le particularisme qui définit la ressource patrimoniale, c'est-à-dire la signification donnée au patrimoine. Cette approche de la ressource croise en permanence la dimension temporelle : les patrimoines qui sont définis comme des héritages sont en permanence recréés et arbitrés, de telle sorte qu'au final, c'est la durabilité et la vulnérabilité de la ressource qui sont les vrais enjeux de ce questionnement.

Les domaines subalpin et jurassien sont constitués de nombreux systèmes karstiques de dimension et de surface réduites qui peuvent représenter localement l'unique ressource des communes. Les bassins d'alimentation de ces systèmes sont essentiellement composés de forêts et de pâturages et ne présentent qu'une urbanisation limitée. Les systèmes karstiques sont des milieux de transferts rapides assez mal connus dans la région. L'objectif principal de cette thèse s'attache à étudier les relations entre le fonctionnement et la vulnérabilité des systèmes karstiques de moyenne montagne. La vulnérabilité est abordée selon trois approches : intrinsèque, anthropique et climatique. Pour cela huit sites de nature différente et complémentaire (sources karstiques, galerie karstique et rivières) ont été étudiés.La vulnérabilité intrinsèque est étudiée par l'application de la méthode PaPRIKa. Cette analyse se fonde sur la superposition par pondération de cartes des bassins d'alimentation réalisées en fonction des critères Roche, Infiltration, Protection et Karstification. Elle permet de spatialiser les degrés de vulnérabilité sur le bassin d'alimentation d’un système karstique. Bien que les systèmes étudiés présentent des fonctionnements hydrodynamiques et une occupation des sols relativement similaires, les degrés de vulnérabilité diffèrent en fonction des sites.La vulnérabilité anthropique est étudiée, dans le cadre du programme Interreg Alpeau, sous l'angle de la remobilisation des sols suite à des travaux de sylviculture programmés sur les bassins d'alimentation. La recherche s'est concentrée sur la matière organique dissoute et en suspension et plus particulièrement sur la matière organique fluorescente. Ce travail a d’abord nécessité la réalisation d’un état des lieux sur les transferts associés au fonctionnement hydrodynamique des sites d’étude sur un cycle hydrologique. Pendant ou à la suite des travaux, les eaux des systèmes karstiques présentent des pics de turbidité ainsi que des venues en matières organiques fluorescentes du type humique et protéique, en azote total et en carbone organique total beaucoup plus importants (entre 5 et 10 fois plus). Cependant, tous les sites ne présentent pas d’augmentation significative des apports en matières en suspension et dissoutes, malgré l'ampleur des travaux réalisés.Enfin la vulnérabilité climatique est approchée par l'étude de chroniques historiques sur plus de 60 ans. Les précipitations et les températures de trois stations météorologiques ainsi que les débits de deux sources et une rivière ont été analysés afin d'extraire les grandes tendances. En plus de l'augmentation de la température ambiante de +1.5°C en 50 ans, les précipitations présentent une tendance à la baisse des cumuls annuels depuis 1980. La baisse des cumuls est plus particulièrement marquée à partir de 2003. Cette baisse de précipitations et l'augmentation des températures ont une répercussion quantitative sur les eaux de surface et souterraines. Les tendances observées sur les débits moyens annuels des systèmes étudiés sont en corrélation avec les précipitations. Malgré une tendance à la fonte des neiges de plus en plus précoce, les étiages basés sur les VCN10 ne montrent pas de réelle tendance à l’augmentation sur la période 1960-2011. Basées sur les données du GIEC 2007, les débits des sources subalpines ont été estimés pour les années 2030, 2050 et 2080. Les résultats montrent une diminution importante de la ressource en eau qui pourrait atteindre des baisses de l'ordre de 46% à l'horizon 2080. / The subalpine and jura middle mountains are composed of a many karstic systems characterized by small size and area. For local towns, these systems can represent the only water resource. The catchment areas are mainly composed of forests and pastures and have a limited urbanisation. Local karst systems have quick flow transfer and are not really known in the region. The main goal of this thesis is the study of the relationship between functioning and vulnerability of middle mountains karst systems. The vulnerabilities are analysed with three approaches: intrinsic, anthropogenic and climatic, applied on eight sites with variable natures (karst spring, karst conduit and rivers) which are additional. The intrinsic vulnerability is studied by the use of PaPRIKa method. This method is based on the overlaying by weighting catchment area maps. Each map is represented by one criterion. Criteria used to carry out a final map are: Rock, Infiltration, Protection and karstification. The method allows the characterization of the vulnerability degrees on the catchment area. Although the study systems have hydrodynamic functioning and similar soil occupation, the vulnerability degrees change for each site. Within the ALPEAU program, the soil remobilization due to sylvicultural activities is used as an anthropogenic vulnerability factor on the catchment area. The study is focused on dissolved and suspended organic matter, especially the fluorescent organic matter. This work has begun with the study of the organic matter transfers during hydrological cycle in natural conditions (without anthropogenic activities). During or after sylvicultural activities, karst waters can show turbidity peaks associated with concentration increasing of humic like, protein like, total nitrogenous and total organic carbon. However, all sites don't show a significant increase in spite of the intensity of sylvicultural activities. The climatic vulnerability is approached with the study of historical data since 60 years. The temporal evolution of precipitation, discharge and temperature have been analysed in order to extract global trends. Besides temperature increase (+15°C) since 50 years, the quantity of precipitations shows a decrease from 1980. This decrease is particularly accentuated since 2003. The decrease of precipitation and the increase of temperature lead an impact on the ground and fresh water quantity. Trends observed on mean annual discharge are correlated with the variation of precipitations. Despite an early snowmelt, low flow periods, defined by the VCN10, don't show significant increase on the period 1960-2011.

Cette recherche doctorale porte sur la modélisation 3D de la dynamique des teneurs en eau dans le sol et le soussol lorsque les écoulements sont à saturation variable. La modélisation est basée sur une version généralisée de la loi de Darcy-Buckingham et de l’équation de Richards multidimensionnelle. Les recherches présentées dans cette thèse concernent différents volets, présentés ci-dessous, dont le fil conducteur est l’analyse de phénomènes d’écoulements en milieux poreux, contenant de fortes hétérogénéités et/ou perturbés par des fluctuations temporelles. Dans le cadre d’un partenariat de recherche entre l’IMFT et l'IRSN sur la problématique du stockage souterrain de déchets radioactifs, nous avons modélisé en 3D la dynamique du front de désaturation d’une couche argileuse autour d’une galerie souterraine ventilée, à l’aide du code volumes finis BIGFLOW 3D. Ce travail a permis de mettre au point une approche d’immersion pour la modélisation des écoulements en milieux composites. Un autre volet de cette thèse concerne une étude analytique et numérique des profils verticaux de succion et de teneur en eau lors d’une infiltration verticale, non-saturante, dans un sol hétérogène finement stratifié. Des solutions analytiques exactes et approchées sont obtenues en régime permanent, à l’aide de transformations de variables, et sont comparées avec des solutions numériques pour différents degrés d’hétérogénéité. De même, les phénomènes de « barrière capillaire » sont étudiés d’une part analytiquement et d’autre part, par expérimentations numériques transitoires d’infiltration sur des systèmes bicouches, en présence d’une nappe plus ou moins profonde. D’autre part, les écoulements nonsaturés sont étudiés, cette fois, en présence d’un forçage transitoire fortement oscillatoire, dans une colonne de sable fin homogène, sous l’effet de fluctuations périodiques du niveau de la surface libre. Une méthode multi-front mise au point lors d’une thèse précédente à l’IMFT est validée numériquement en montrant que cette méthode simule efficacement la dynamique oscillatoire des flux et des profils de pression avec un nombre limité de « fronts ». De plus, nous avons analysé la phénoménologie capillaire/gravitaire des écoulements oscillatoires dans la colonne grâce à un suivi dynamique du plan de flux nul. Enfin, nous présentons, comme extension aux travaux précédents, une étude préliminaire des phénomènes 3D d’infiltration et de redistribution d’eau, notamment lorsque l’hétérogénéité du sol est de type aléatoire. Les premiers essais d’infiltration permettent de tester, en réplique unique, des méthodes de prises de moyennes spatiales des champs de succion et teneur en eau et évaluer la taille minimum du domaine de calcul 3D permettant d’obtenir des profils verticaux moyens représentatifs de l’infiltration dans une réplique unique du sol aléatoire. / This doctoral research, defended at the Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, is devoted to modeling water pressure and water content in soils and in subsurface geologic formations, in the case of variably saturated flow. One of the main scientific objectives of this work is to analyze the response of unsaturated flow systems, and particularly capillary and gravitational effects, in the presence of material heterogeneities, discontinuities, and/or space-time fluctuations. Modeling is based on a generalized version of Darcy- Buckingham’s law, and of Richards’ flow equation. Overall, the topics developed in this PhD thesis focus on several related aspects of variably saturated water flow in the subsurface. These aspects all occur at once in most applications (drying/wetting,heterogeneity, temporal forcing), but they are "decoupled" here for convenience. A preliminary research (collaborative project IMFT / IRSN) was developed to study the 2D/3D drying process at the porous wall of a deep cylindrical excavation in response to hydrometeorological signals. This project has motivated the design and testing of a novel approach to include cavities in the modeling domain. A detailed study of steady state infiltration was developed for the case of finely stratified soils, with parameters that vary continuously and cyclically with depth. Exact and approximate analytical solutions are calculated based on variable transformation methods and on perturbation type approximations, and they are tested numerically using a finite volume code (BIGFLOW 3D). The sensitivity of suction fluctuations vs. stratification wavelength is investigated, as well as the effect of the degree of heterogeneity, and of water table depth. Capillary barrier effects are studied for the case of unsaturated infiltration in multilayer soil systems characterized by a discontinuity of soil properties at interfaces. Numerical experiments are developed for transient infiltration towards a water table through a two-layer system, the goal being to analyze possible capillary barrier effects under various scenarios. On the other hand, we study numerically the case of a partially saturated / unsaturated soil column submitted to highly variable oscillatory pressure at the bottom of the column: this leads to vertical flow oscillations in the unsaturated zone above the water table influenced by tides (coastal beach sand). We analyze the dynamics of this oscillatory flow, where capillary and gravitational effects compete; for this purpose we use a novel method that tracks the positions of the zero flux plane in the unsaturated column. Finally, we also present, as an extension to the previous studies, a preliminary investigation of multidimensional infiltration/redistribution phenomena, particularly for the case of fully 3D random-type soil heterogeneity. The first numerical experiments of 3D infiltration are undertaken based on the single realization approach to soil heterogeneity, and assuming a uniform distribution of wetting at soil surface.

English, Afrikaans and Zulu summaries / While there is increasing interest in the effect of landscape on ancient imagination, less attention has been paid to the impact of restless karst hydrology on ancient beliefs. By identifying shared themes, this study compares and contrasts the way Hittites and Aegean people in the Late Bronze and Early Iron Ages reshaped peripheral karst landscapes into physical and imagined transitional zones. Karst geology underpins much of the Aegean and Anatolian landscape, allowing subterranean zones to be visible and accessible above ground via caves, springs, sinking streams, sinkholes and other unusual natural formations. In both cultures, certain dynamic landscapes were considered to be sacred porous points where deities, daemons, heroes and mortals could transit between cosmic realms. Evidence suggests that Hittites and Aegean people interpreted dramatic karst landscapes as liminal thresholds and spaces situated between the world of humans and the world of deities. Part One investigates physical zones of transition via the karst ecosystems of rural sanctuaries. Part Two considers the creative interpretation in myth and iconography of karst phenomena into metaphysical zones of transition. The examples reveal the way in which Hittites and Aegean people built their concept of the sacred on the extraordinary characteristics of karst geology. Numinous karst landscapes provided validity and a familiar reference point for the creation of imagined worlds where mortal and divine could connect. / Vandag is daar toenemende belangstelling in die effek van die landskap op die verbeelding van die mensdom in die oudheid - maar minder aandag word bestee aan die impak van die rustelose karst landskap op die mens se gelowigheid in die oudheid. Deur die identifisering van sekere gemene temas, vergelyk hierdie verhandeling die manier waarop die Hetiete en die Egeïese volkere in die Laat Brons- en vroeë Ystertydperke die omliggende karstlandskap herskep het in fisiese en denkbeeldige oorgangszones. Die Egeïese en Anatoliese landskap bestaan grotendeels uit karst geologie, met tot gevolg dat ondergrondse zones bo die grond sigbaar en toeganklik is in die vorm van grotte, bronne, sinkgate en ander uitsonderlike natuurlike formasies. In beide bogenoemde kulture is sekere landskapstonele beskou as heilige en poreuse punte waar gode, demone, helde en sterwelinge tussen die kosmiese zones kon beweeg. Die getuienis van die tyd suggereer dat die Hetiete en die Egeïese volkere die dramatiese karst landskappe as grense of drempels tussen hulle wêreld en dié van die gode beskou het. Deel Een ondersoek die fisiese oorgangszones deur te kyk na die karst ecostelsels waarin plattelandse heiligdomme hulle bevind het. Deel Twee beskou die kreatiewe gebruik van karst verskynsels as voorstellings van metafisiese oorgangszones in die gekrewe bronne en ikonografie. Die geselekteerde voorbeelde dui aan die manier waarop die Hetiete en Egeïese volke hulle konsepte van heiligdom gebaseer het op die buitengewone verskynsels van karst geologie. Numineuse karst landskappe het hulle idees gestaaf en ‘n bekende verwysingspunt uitgemaak waar die menslike en die goddelike met mekaar in kontak kon kom. / Ngenkathi intshisekelo ekhulayo yethonya lokwakheka komhlaba emcabangweni wasendulo, kunakwe kancane umthelela we-karst hydrology engenazinkolelo ezinkolelweni zasendulo. Ngokukhomba izingqikithi okwabelwana ngazo, lo mqondo uqhathanisa futhi uqhathanise indlela amaHeti nabantu base-Aegean kweLate Bronze kanye ne-Early Iron Ages abuye abuye abumbe kabusha imigwaqo ye-karst yomngcele ibe yizingxenye zesikhashana zomzimba nezicatshangwe. I-Karst geology isekela kakhulu indawo yezwe i-Aegean ne-Anatolian evumela ukuthi izindawo ezingaphansi komhlaba zibonakale futhi zifinyeleleke ngaphezu komhlaba ngemigede, iziphethu, imifudlana ecwilayo, imigodi yokushona nokunye ukwakheka okungokwemvelo okungajwayelekile. Kuwo womabili amasiko izindawo ezithile eziguqukayo zazithathwa njengezindawo ezingcwele zokungena lapho onkulunkulu, amademoni, amaqhawe nabantu abafayo bengadlula phakathi kwezindawo zomhlaba. Ubufakazi bukhombisa ukuthi amaHeti nabantu base-Aegean bahumusha imidwebo emangazayo yekarst njengemikhawulo yemikhawulo nezikhala eziphakathi komhlaba wabantu nezwe lonkulunkulu. Ingxenye yokuqala iphenya izindawo eziguqukayo zomzimba ngokusebenzisa imvelo ye-karst yezindawo ezingcwele zasemakhaya. Ingxenye Yesibili ibheka ukutolikwa kokudala kunganekwane nakwizithonjana zezinto ze-karst kube izingxenye eziguqukayo zenguquko. Izibonelo ziveza indlela abantu abangamaHeti nabantu base- Aegean abawakha ngayo umqondo wabo ongcwele ngezimpawu ezingavamile ze-karst geology. Amathafa amahle we-karst ahlinzeka ngokusebenza kanye nephuzu elijwayelekile lesethenjwa lokwakhiwa kwamazwe acatshangelwe lapho abantu abafayo nabaphezulu bangaxhuma khona. / Biblical and Ancient Studies / M. A. (Ancient Near Eastern Studies)