Les propriétés pétrophysiques des réservoirs silicoclastiques sont influencées par de nombreux facteurs sédimentaires et diagénétiques. Les principaux phénomènes diagénétiques affectant les réservoirs sont généralement la cimentation de quartz et les compactions mécanique et chimique. Des réservoirs gréseux ayant des contextes géologiques différents ont été considérés dans cette étude ; les réservoirs carbonifères d’origine deltaïque-marine du bassin des Palmyrides-Sud en Syrie et les réservoirs cambro-ordoviciens du bassin de Sbaa en Algérie. Cette thèse consiste à établir l’histoire diagénétique, déterminer les contrôles sédimentaires et structuraux influençant l’évolution des phénomènes diagénétiques, caractériser l’habitus des cristaux authigènes de quartz formés autour les grains détritiques et aussi mettre en relation les différentes contrôles sédimentaires et diagénétiques sur les caractéristiques des pores et ainsi que sur la variation de la perméabilité. L’histoire diagénétique entre le réservoir du bassin de Sbaa se caractérise par une forte cimentation de quartz composée de trois phases Q1, Q2 /et Q3, par tapissage illitique et ainsi par une importante compaction chimique liée à certains faciès glaciaires et également une cimentation d’argiles principalement en illite mais surtout dans les champs d’Oued Zine et de Bou Hadid. A l’exception du champ de Hassi Ilatou, où une faible cimentation de quartz composée de Q1 a eu lieu. Alors que la diagenèse des réservoirs gréseux du bassin des Palmyrides-Sud est représentée par une faible cimentation de quartz composée d’une seule phase Q1, une absence de compaction chimique, ainsi qu’une cimentation d’argiles dominée par la chlorite et les kaolins. Les analyses microthermométriques des inclusions fluides dans les surcroissances de quartz mettent en évidence une silicification se déroulant principalement entre 100 et 160°C dans les deux bassins. D’après la reconstitution de l’histoire thermique de bassin, cet intervalle de température a été atteint entre le Viséen et la fin du Namurien dans le bassin de Sbaa et au Crétacé supérieur-Paléocène dans le bassin des Palmyrides-Sud. Les analyses isotopiques indiquent une eau originelle météorique et marine, progressivement réchauffée lors de l’enfouissement, et s’enrichissant au fur et à mesure en ¹⁸O dans les pores intergranulaires et des fluides évolués et chauds à l’origine des filonnets. L’habitus des cristaux authigènes de quartz et la forme de croissance montrent une relation avec les phases de ciment de quartz, son taux et la présence/absence de gaz. En effet, des cristaux à prisme court, tronqués par des facettes additionnelles, et des cristaux trapus caractérisent les grès cimentés par une seule phase de quartz authigène, et une fréquence importante des cristaux de quartz à multiples nucléas est constatée dans ces grès. Des cristaux à prisme développé et rarement des cristaux à prisme court caractérisent les grès contenant deux phases du ciment de quartz. Des cristaux peu développés et limités à quelques faces sont présents dans les grès cimentés par trois phases du ciment de quartz dans la paléozone à eau du réservoir dans le champ ODZ. Une forme de croissance en escalier est présente uniquement dans ces derniers grès. La présence des inclusions à hydrocarbures dans les surcroissances de quartz dans la partie supérieure du réservoir ordovicien du champ de Oued Zine indique que la mise en place des hydrocarbures dans le réservoir a été contemporaine à la cimentation de quartz à des températures 100-140°C en raison de la paléostructure anticlinale dans ce champ. Un deuxième épisode a eu lieu suite à la fracturation hercynienne à des températures comprises entre 117-185°C qui augmente vers le nord-ouest du bassin. La composition du gaz dans les inclusions monophasées (92 ± 5 mole %) est comparable à la composition actuelle du gaz dans le réservoir. / Petrophysic properties of siliciclastic reservoirs are influenced by many sedimentary and diagenetic factors. The main diagenetic processes affecting the reservoir quality are quartz cementation and mechanical and chemical compaction. The cementing of quartz plays a role in reducing the porosity as it precipitates occupying intergranular porosity. However, its influence on the evolution of permeability is not well known because the morphology of authigenic quartz crystals and controls responsible for this morphology remain poorly understood. Sandstone reservoirs with different geological settings were considered in this study; Carboniferous reservoirs of deltaic-marine Palmyrides South Basin (fields: Arak, Debayate South, and Sukhneh) in Syria and the Cambro-Ordovician reservoirs Sbaa Basin (fields : Hassi Ilatou , Hassi Ilatou NE, Bou Hadid, Oued Zine, and Bou Hadid W) in Algeria. They have widely varying porosities both laterally and vertically and permeabilities. Thus, this thesis is to establish the diagenetic history, determine the sedimentary and structural controls influencing the evolution of diagenesis, characterize crystallographic habits of authigenic quartz formed around the detrital grains and to relate the different sedimentary controls and diagenetic on pore characteristics and as well as the variation of the permeability. In the Sbaa Basin, the presence of inclusions hydrocarbons allowed to reconstruct the history of gas migration. The diagenetic history of the Sbaa Basin is characterized by strong cementing quartz composed of three phases Q1, Q2 / Q3, illite coatings, significant chemical compaction, and also by illite cements, especially in the fields of Oued Zine and Bou Hadid. However, Hassi Ilatou field shows low quartz cementation (Q1). In addition, reservoir sandstones of the Palmyrides-South Basin show low quartz cementation composed of a single phase Q1, an absence of chemical compaction, as well as clay cementation dominated by chlorite and kaolin characterize the diagenesis history. Microthermometric analyzes of fluid inclusions located in quartz overgrowths show that the silicification occurred mainly between 100 and 160 °C in both basins. According to the reconstruction of the thermal history, these temperatures have been reached between the end of the Visean and Namurian for the Sbaa Basin and Upper Cretaceous-Paéocène for the Palmyrides-South Basin. Isotope analyzes indicate marine/meteoric water gradually heated during burial, and enriched in ¹⁸O in intergranular pores and evolved hot fluids are responsible for vein precipitation. The habits of quartz overgrowth crystals and growth forms observed in the studied sandstones show a relation with the number of quartz cement phases. Effectively, crystals with short prisms, truncated by supplementary faces, and large crystals characterize one-phased (Q1) cemented sandstones. In addition, quartz crystals of multiple nucleations are frequent in these sandstones. However, crystals with long prisms and rarely crystals with short prisms characterize two-phased (Q1 and Q2) cemented sandstones. Crystals of poorly developed faces are present in three-phased (Q1, Q2, and Q3) cemented sandstones. Step-like striation present only in these sandstones. Methane inclusions in the quartz overgrowths of the upper part of Ordovician reservoir of Oued Zine indicate that the gas emplacement into the reservoir occurred synchronically with early quartz cementation in the sandstones located near the contact with the Silurian gas-source rocks at 100-140°C during the Late Carboniferous period and the late Hercynian episode fracturing at temperatures between 117 and 185°C. Microthermometric data on gas inclusions reveal the presence of an average of 92 ± 5 mole % of CH4, which is similar to the present-day gas composition in the reservoirs.

Les carbonates microporeux sont caractérisés par une importante hétérogénéité de faciès (texture, composition) qui se traduit généralement par une très grande variation des (1) propriétés physiques (porosité, perméabilité, vitesses acoustiques), et (2) du comportement mécanique. Ces hétérogénéités rendent souvent difficile les prédictions en termes de stockage géologique, de qualité de porosité ou perméabilité des réservoirs d'eau souterraine ou d'hydrocarbures lors de l'exploration ou production. Cette étude intégrée apporte de nouveaux éléments de réflexion quant aux facteurs de contrôles microstructuraux sur les propriétés physiques et mécaniques des roches carbonatées microporeuses.(1) Une centaine d'échantillons de carbonates a été prélevée tous les 2m environ le long du forage EST205 au niveau de la plate-forme oxfordienne de Meuse/Haute-Marne. Un objectif appliqué de ce travail, vise à mieux contraindre les variations verticales des propriétés pétrophysiques et pétrographiques qui régissent en grande partie les circulations aquifères actuelles dans cette formation. D'un point de vue fondamental, un résultat majeur est la mise au point d'une nouvelle méthode de rock-typing pour les réservoirs microporeux, et l'établissement d'un lien entre matrice micritique et les propriétés physiques. Les propriétés de transport (perméabilité, conductivité électrique) sont grandement influencées par la réduction ou l'augmentation progressive de la microporosité intercristalline selon le type de matrice micritique considéré. L'augmentation des vitesses d'ondes acoustiques peut être vue comme le reflet d'une cimentation progressive des particules de micrites, qui rend l'ensemble de la matrice plus rigide et cohérente. La dispersion des valeurs de vitesses est expliquée grâce à la théorie de la poroélasticité. Les calculs réalisés avec les équations de Biot-Gassmann [Biot, 1956 ; Gassmann, 1951] mettent en évidence une population de microcracks (crack porosity), qui affecte les vitesses de propagation des ondes. Enfin, une origine possible des niveaux poreux oxfordiens est une dissolution précoce des particules de micrites via la circulation d'eau météorique sous saturée par rapport à la calcite, lors de courtes phases d'émersion de la plate-forme.(2) La vitesse de propagation des ondes P dans la formation de l'Oolithe Blanche (Grainstone Oolithique, Jurassique Moyen, Basin de Paris) est très largement contrôlée par la structure de l'espace poreux (porosité annulaire ou uniforme dans les grains ; Type A) et par la présence ou l'absence d'un ciment isopaque autour des grains (Type B) (Makhloufi et al., 2013 ; Casteleyn et al., 2010, 2011). Plusieurs essais de déformation triaxiale ont été réalisées sur des échantillons de Type A et B afin d'investiguer le rôle de telles microstructures sur la réponse mécanique des roches carbonatées poreuses. Cette étude est essentielle à la compréhension générale de l'Oolithe Blanche, qui présente un fort potentiel géothermique et représente une cible potentielle pour la séquestration de CO2.Les échantillons comparés présentent des textures et faciès équivalent (porportion de ciment de blocage, granulométrie), ainsi que des propriétés pétrophysiques très similaire (porosité, perméabilité) ; afin que le paramètre microstructural soit le seul à varier.Deux comportements distincts sont mis en évidence :Type A: les échantillons avec une microporosité uniforme dans les grains ont un comportement ductile, tandis que les échantillons à porosité annulaire sont caractéristiques du domaine fragile.Type B: les échantillons avec des ciments isopaques autour des grains ont un comportement fragile. En revanche, les échantillons dépourvu de tels ciments présentent un comportement mécanique relevant plus du domaine ductile.Ces résultats montrent que les structures de porosité et les ciments jouent un rôle important sur la réponse mécanique des roches carbonatées microporeuses. / This integrated study provides significant insight into parameters controlling (1) the acoustic and reservoir properties of microporous limestone and (2) the mechanical behavior of such rocks. This work improves the knowledge of the relationships among rock physic and rock mechanic on one hand, and the microstructural content on the other hand.(1) Petrophysical properties measured from laboratory and logging tools (porosity, permeability, electrical conductivity and acoustic properties) have been coupled with thin section and SEM observations on the EST205 borehole from the Oxfordian limestone aquifer of the Eastern part of the Paris Basin. A major achievement is the establishment of the link between micrite microtexture types (particle morphology and nature of inter-crystal contacts) and the physical response. Fluid-flow properties are enhanced by the progressive augmentation of intercrystalline microporosity and associated pore throat diameter, as the coalescence of micrite particle decreases between relatively coarser tight morphologies and microporous morphologies. The slow increase of P-wave velocity can be seen as a reflection of crystal size and growing contact cementation leading to a more cohesive and stiffer micrite microtexture. By applying poroelasticity theory on our samples, we show that velocity dispersion can be a very useful tool for data discrimination in carbonates. Finally, a possible origin of high porous levels in neritic limestones is a mineralogical dissolution of carbonates through freshwater-related diagenesis during subaerial exposure time.(2) Regarding rock mechanic, conventional triaxial experiments were performed on samples from the Oolithe Blanche formation (Middle Jurassic Limestone, Paris basin) to investigate the effect of different microstructural parameter on the mechanical behavior of microporous carbonate rocks. Type A samples display two different microporosity distributions within the grains (uniform versus rimmed microporosity) and type B samples are based on the presence/absence of an isopachous cement around the ooids. This work is of primary importance since the Oolithe Blanche formation, a deep saline aquifer, is a possible target for CO2 sequestration and geothermal production in the center of the Paris Basin. Experiments were performed under saturated state with respectively two sets of experimental conditions: (1) a 5 MPa pore pressure and a 28 MPa confining pressure with a temperature of 55°C for Type A carbonates to mimic in-situ conditions in the Center of the Paris Basin; and (2) a 0.5 MPa pore pressure and a 1.5 MPa confining pressure for Type B samples. Sample types have similar facies and composition (oolithic microporous grainstone with a 500µm average grain size), and porosity ranges from 17% to 20%. Permeability values are also very similar and range from 10-2 mD to 10-1 mD.(1) Type A samples with a rimmed porosity display a typical behavior of the brittle failure regime with stress-strain curves reaching a peak (138 MPa) beyond which strain softening was recorded, and strain localization on a shear fracture. (2) Type A samples with a uniform porosity display a ductile behavior with no localization of the deformation.(2) Type B samples with isopachous cement show a brittle behavior with stress drop (16 MPa to 18 MPa) and localization on a shear fracture. When isopachous cements are absent, a more ductile type of behavior is observed. Our set of data suggests that those two microstructural parameters have a significant control on the mechanical behavior of carbonate rocks.

Les propriétés pétrophysiques des réservoirs silicoclastiques sont influencées par de nombreux facteurs sédimentaires et diagénétiques. Les principaux phénomènes diagénétiques affectant les réservoirs sont généralement la cimentation de quartz et les compactions mécanique et chimique. Des réservoirs gréseux ayant des contextes géologiques différents ont été considérés dans cette étude ; les réservoirs carbonifères d'origine deltaïque-marine du bassin des Palmyrides-Sud en Syrie et les réservoirs cambro-ordoviciens du bassin de Sbaa en Algérie. Cette thèse consiste à établir l'histoire diagénétique, déterminer les contrôles sédimentaires et structuraux influençant l'évolution des phénomènes diagénétiques, caractériser l'habitus des cristaux authigènes de quartz formés autour les grains détritiques et aussi mettre en relation les différentes contrôles sédimentaires et diagénétiques sur les caractéristiques des pores et ainsi que sur la variation de la perméabilité. L'histoire diagénétique entre le réservoir du bassin de Sbaa se caractérise par une forte cimentation de quartz composée de trois phases Q1, Q2 /et Q3, par tapissage illitique et ainsi par une importante compaction chimique liée à certains faciès glaciaires et également une cimentation d'argiles principalement en illite mais surtout dans les champs d'Oued Zine et de Bou Hadid. A l'exception du champ de Hassi Ilatou, où une faible cimentation de quartz composée de Q1 a eu lieu. Alors que la diagenèse des réservoirs gréseux du bassin des Palmyrides-Sud est représentée par une faible cimentation de quartz composée d'une seule phase Q1, une absence de compaction chimique, ainsi qu'une cimentation d'argiles dominée par la chlorite et les kaolins. Les analyses microthermométriques des inclusions fluides dans les surcroissances de quartz mettent en évidence une silicification se déroulant principalement entre 100 et 160°C dans les deux bassins. D'après la reconstitution de l'histoire thermique de bassin, cet intervalle de température a été atteint entre le Viséen et la fin du Namurien dans le bassin de Sbaa et au Crétacé supérieur-Paléocène dans le bassin des Palmyrides-Sud. Les analyses isotopiques indiquent une eau originelle météorique et marine, progressivement réchauffée lors de l'enfouissement, et s'enrichissant au fur et à mesure en ¹⁸O dans les pores intergranulaires et des fluides évolués et chauds à l'origine des filonnets. L'habitus des cristaux authigènes de quartz et la forme de croissance montrent une relation avec les phases de ciment de quartz, son taux et la présence/absence de gaz. En effet, des cristaux à prisme court, tronqués par des facettes additionnelles, et des cristaux trapus caractérisent les grès cimentés par une seule phase de quartz authigène, et une fréquence importante des cristaux de quartz à multiples nucléas est constatée dans ces grès. Des cristaux à prisme développé et rarement des cristaux à prisme court caractérisent les grès contenant deux phases du ciment de quartz. Des cristaux peu développés et limités à quelques faces sont présents dans les grès cimentés par trois phases du ciment de quartz dans la paléozone à eau du réservoir dans le champ ODZ. Une forme de croissance en escalier est présente uniquement dans ces derniers grès. La présence des inclusions à hydrocarbures dans les surcroissances de quartz dans la partie supérieure du réservoir ordovicien du champ de Oued Zine indique que la mise en place des hydrocarbures dans le réservoir a été contemporaine à la cimentation de quartz à des températures 100-140°C en raison de la paléostructure anticlinale dans ce champ. Un deuxième épisode a eu lieu suite à la fracturation hercynienne à des températures comprises entre 117-185°C qui augmente vers le nord-ouest du bassin. La composition du gaz dans les inclusions monophasées (92 ± 5 mole %) est comparable à la composition actuelle du gaz dans le réservoir.

Les horizons d'accumulations carbonatées (HAC) de Champagne sont des horizons particuliers présents de manière non systématique dans les profils de sol directement sous l'horizon organo-minéral. Bien que des travaux antérieurs se soient déjà attachées à l'étude de ces structures particulières, certaines questions restent encore en suspens, notamment en ce qui concerne leur localisation dans le cadre régional, leur caractérisation par rapport aux autres horizons du profil et la quantification de leur rôle dans les transferts hydriques. Leur localisation sur le terrain n'étant pas réalisable méthodes de prospection habituelles (pénétrométrie dynamique, tarière), les zones de localisation préférentielle des HAC ont été déterminées par une exploration bibliographique. Des analyses en laboratoire ont été conduites sur des échantillons prélevés sur un site pilote représentatif, le Mont du Ménil (08). En plus des analyses géochimiques et de la colorimétrie, les échantillons prélevés tout au long des profils ont subi des analyses pétrophysiques habituellement utilisées dans la caractérisation des pierres en œuvre (porosité totale à l'eau, porosimétrie mercure, cinétiques d'absorptions capillaires et d'évaporation). Ces analyses montrent que les HAC sont bien différents des horizons sus et sous-jacents. Ce sont des niveaux présentant une forte porosité qui va de pair avec leur induration plus faible contrairement à ce qui est généralement admis dans la bibliographie. Les HAC présentent également des micromorphologies différentes des autres horizons du profil pédologique ce qui justifient les réseaux poreux différents identifiés. L'étude des transferts hydriques en laboratoire montre également que ces réseaux poreux différents sont responsables de transferts hydriques plus rapides dans les HAC que dans leurs grèzes d'accueil. Il apparaît donc que contrairement à ce qui est généralement avancé dans la littérature, les HAC champardennais ne semblent pas faire obstacle aux transferts hydriques mais semble au contraire les favoriser. Ce phénomène pourrait avoir des conséquences agronomiques importantes favorisant le drainage et les remontées capillaires. / Carbonate accumulation horizons (CAH) are structures un-systematically present in Champagne-Ardenne soils (NE of France) and are localized directly under de rendic leptosol. They have already been studied but their regional repartition, characterization compare to other soils horizons and impact on water transfers remain unknown. On the field, CAH cannot be directly localized by currently prospection methods. Preferential location areas have been determined by literature analyze. Geochemistry, colorimetry and petrophysical analyzes (total water porosity, mercury porosimetry, absorption en evaporation kinetics tests) have been applied on samples took on a representative site : Mont du Ménil. These analyses have shown that CAH present a high porosity linked to their weak induration contrary to what is generally advanced in the literature. The micromorphology of CAH is different from others horizons that induces porous network différences. Laboratory water transfers study links these porous network differences to faster water transfers measured for CAH contrary to the others horizons. CAH of Champagne do not impede water transfers contrary to what is generally fund into the literature but seems to favor them. This phenomenon could have important agronomic implications favouring draining and capillary rises.

Depuis une dizaine d'années, une volonté internationale de réduction des émissions de gaz à effet de serre s'est développée, afin de limiter leur concentration dans l'atmosphère. Ainsi, il est envisagé de récupérer le CO₂ issu d'activités humaines fortement émettrices afin de le réinjecter dans le sous-sol à l'état supercritique. Hors du panache de CO₂ supercritique, ce gaz se dissout dans la saumure et l'acidifie. Deux phénomènes ont alors lieu. Ils constituent la base des études menées au cours de cette thèse : (i) le devenir des espèces chimiques mobilisées par la dissolution des minéraux, et (ii) les variations des propriétés d'écoulements induites par la réactivité de la roche encaissante. Pour étudier ces phénomènes, des expériences ont été menées sur les carbonates de Lavoux et de St-Emilion. Ces deux échantillons naturels ont été sélectionnés pour leur composition minérale modèle qui assure une forte réactivité dans le contexte de l'étude, et l'absence d'argile et de matière organique qui limite la complexité du système géochimique. Les expériences menées sont de deux types. En autoclave, la compétition entre dissolution et sorption des éléments traces est mise en avant et permet d'investiguer des conditions variant de celles de la surface (20°C – 1 atm) à celles d'un site de stockage (40°C – 90 bar de CO₂) en passant par des intermédiaires de pression (30 et 60 bar). Les effets de la salinité de la saumure, de la concentration initiale en cations divalents ainsi que de l'état de l'échantillon solide (poudre, plug) sont étudiés. D'autre part, un dispositif expérimental a été développé au cours de cette thèse. Il permet d'étudier les propriétés de diffusion d'éléments traces à travers une carotte dans des conditions représentatives de celles d'un réservoir de stockage de CO₂. Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence à la fois l'impact de la dissolution sur la mobilisation des espèces chimiques, la compétition entre différents cations pour la sorption et les conséquences de cette sélectivité sur le transport et la disponibilité des espèces chimiques. L'étude pétrophysique des échantillons réagis met en évidence une augmentation de la porosité, et une tendance à l'uniformisation du réseau de pore. Les données obtenues dans les expériences en batch permettent d'obtenir par simulation les paramètres de sorption du système pour les différents éléments traces, en fonction des conditions de pression. Grâce à ces différents résultats, la surveillance de sites de stockage géologique de CO₂ est possible dans différentes formations, et permet un suivi à la fois des flux des espèces chimiques et des propriétés d'écoulement. / Over the last decade, an international will to reduce the emissions of greenhouse gases in the atmosphere developed, in order to limit their atmospheric concentration. Thus, to deal with the large amounts of CO₂ produced by human activities, this gas is to be injected under supercritical state in the underground. Outside the CO₂ plume, this gas dissolves within brine and acidifies it. Two phenomena occurs then. They are the main subject of this work: (i) the fate of chemical species mobilized by mineral dissolution, and (ii) the evolution of flooding properties induced by mineral reactivity. To study those phenomena, experiments were carried out on the Lavoux and the Saint-Emilion carbonates. Those two natural samples were selected because their mineralogical composition ensures a high reactivity and limits the complexity of the geochemical system, as they contain neither clays nor organic matter. Two types of experiments were carried out. Competition between dissolution and sorption was studied in batch reactors, from conditions similar to those of the surface (20°C – 1 atm) to those of a storage site (40°C – 90 bar of CO₂), passing by intermediate pressures (30 and 60 bar). The parameters investigated are salinity, initial concentration of divalent cations, and the state of solid samples (powder, core). On the other hand, an experimental setting was developed during the thesis project. It allows the study of trace elements diffusion through a core in CO₂ geological storage conditions. The experimental results evidence the impact of dissolution on chemical species mobilization, competition between those species regarding sorption and consequences of this selectivity on transport and availability of those chemical species. The petrophysical study of reacted samples evidence a porosity increase and the homogenization of the porous network. The data resulting from the batch experiments are used as input data for simulations, in order to estimate sorption parameters of trace elements in the systems investigated. Thanks to those results, the monitoring of CO₂ geological storage sites is possible within several different geological formations, and allows to track both flux of chemical species and flooding properties evolution.

Ce travail concerne le phénomène "lave torrentielle" en recherchant les conditions de l'initiation et en en étudiant les mécanismes dans plusieurs bassins torrentiels des Alpes françaises. L'occurrence des laves torrentielles résulte de la conjonction de multiples facteurs de prédisposition,en rapport avec la climatologie, la géologie, la géomorphologie et l'hydrogéologie, le facteur déclenchant étant le plus souvent l'eau apportée par de violents orages. L'étude de nombreux dépôts de laves torrentielles de provenance variée a permis de déterminer l' existence de deux familles de laves torrentielles, les laves granulaires et les laves cohésives, dont la distinction est basée sur plusieurs critères granulométriques définis sur le sol écrêté à 20 mm. Les caractéristiques granulométriques et géotechniques des matériaux prélevés dans les zones d'initiation sont semblables à celles des dépôts de laves torrentielles, ce qui signifie que le tri granulométrique entre les zones sources et les zones de dépôts est très faible. Les mécanismes d'initiation ont alors été identifiés et décrits en tenant compte du contexte environnemental. lis sont multiples et nous en avons établi une typologie. La connaissance de ces mécanismes et l'identification de critères géotechniques propres aux matériaux des zones d'initiation des laves torrentielles a servi de base à l'élaboration de cartes " d'aptitude à l'initiation des laves torrentielles ". En fonction des mécanismes d'initiation et des volumes disponibles dans ces zones d'initiation potentielle, nous avons défini différents scénarios d'événements "laves torrentielles " , tenant compte des dégâts susceptibles d'être causés sur les cônes de déjection.

La géothermie est considérée comme une source d'énergie propre et inépuisable à échelle humaine. Actuellement, le rendement des centrales géothermiques est limité à l'exploitation de fluides de températures inférieures à 300°C. L'association de l'activité tectonique et volcanique aux dorsales océaniques fait de l'Islande un lieu où l'extraction de fluides supercritiques (T°>400°C) peut être envisagée. Cette exploitation pourrait multiplier par dix la puissance électrique délivrée par les puits géothermiques. Ces fluides peuvent-ils circuler dans la croûte océanique ? Ce travail propose de contraindre les observations géophysiques et de prédire le fonctionnement des réservoirs hydro-géothermaux de très haute température par l'étude des propriétés physiques des basaltes. La première approche est focalisée sur l'étude de roches ayant accueilli une circulation hydrothermale par le passé. L'étude de ces roches au site ODP 1256, montre que leur porosité est associée à la présence de minéraux d'altération hydrothermale du faciès amphibolite (T°>500°C ). La seconde approche a consisté à recréer en laboratoire les conditions des systèmes hydrothermaux à très haute température afin de prédire les propriétés mécaniques et électriques des basaltes dans ces conditions. Les résultats mécaniques indiquent que la transition fragile/ductile, souvent associée à une forte décroissance de perméabilité, intervient à une température d'environ 550°C. La mise en place d'une cellule de mesure de la conductivité électrique de haute températures a fournit les premiers résultats utiles à l'analyse des données géophysiques. Appliqués aux conditions de la croûte basaltique Islandaise, ces résultats indiquent que des fluides hydrothermaux pourraient circuler au moins transitoirement à l'état supercritique jusqu'à ~ 5 km de profondeur. / Geothermal energy is considered as a green and infinite energy source at human scale. Currently, the yield of geothermal power plants is limited to temperatures of the operating fluid which 300 °C. From tectonic and volcanic activity at mid-ocean ridges, Iceland is a locuswhere supercritical fluid extraction (T > 400° C) can considered for the near future. Exploiting such fluids could theoretically multiply by a factor of ten the electrical power delivered by geothermal wells. Can such fluids circulate at the base of brittle oceanic crust? This work investigates the petrophysical properties of basalts in order to constrain geophysical observations in Iceland and predict the behavior of very high temperature hydro-geothermal reservoirs. The first approach consisted in studying the physical properties of rocks that have hosted deep hydrothermal circulations at oceanic ridges. The study of these rocks at ODP Site 1256 shows that the porosity mea sured both in the field and in the lab is associated with amphibolite facies alteration minerals (T > 500° C). The second approach was to recreate in the laboratory the conditions of pressure, temperature and pore fluid pressure of high temperature to supercritical hydrothermal systems to predict the mechanical and electrical properties of basalts under these conditions. The mechanical results indicate that the brittle/ductile transition occurs at a temperature of about 550° C, where a strong permeability decrease is expected. The implementation and calibration of a new cell for measuring electrical conductivity at high temperature provide the first results for the interpretation of geophysical data. When applied to basaltic crustal conditions in Iceland, these results indicate that hydrothermal fluids could circulate, at least temporarily, in a supercritical state up to 5 km depth.

Les carottes, extraites lors des forages de puits de pétrole, font partie des éléments les plus importants dans la chaîne de caractérisation de réservoir. L’acquisition de celles-ci à travers un scanner médical permet d’étudier de façon plus fine les variations des types de dépôts. Le but de cette thèse est d’établir les liens entre les imageries scanners 3D de carottes, et les différentes propriétés pétrophysiques et géologiques. Pour cela la phase de modélisation des images, et plus particulièrement des textures, est très importante et doit fournir des descripteurs extraits qui présentent un assez haut degrés de confiance. Une des solutions envisagée pour la recherche de descripteurs a été l’étude des méthodes paramétriques permettant de valider l’analyse faite sur les textures par un processus de synthèse. Bien que ceci ne représente pas une preuve pour un lien bijectif entre textures et paramètres, cela garantit cependant au moins une confiance en ces éléments. Dans cette thèse nous présentons des méthodes et algorithmes développés pour atteindre les objectifs suivants : 1. Mettre en évidence les zones d’homogénéités sur les zones carottées. Cela se fait de façon automatique à travers de la classification et de l’apprentissage basés sur les paramètres texturaux extraits. 2. Établir les liens existants entre images scanners et les propriétés pétrophysiques de la roche. Ceci se fait par prédiction de propriétés pétrophysiques basées sur l’apprentissage des textures et des calibrations grâce aux données réelles. . / Cores extracted, during wells drilling, are essential data for reservoirs characterization. A medical scanner is used for their acquisition. This feature provide high resolution images improving the capacity of interpretation. The main goal of the thesis is to establish links between these images and petrophysical data. Then parametric texture modelling can be used to achieve this goal and should provide reliable set of descriptors. A possible solution is to focus on parametric methods allowing synthesis. Even though, this method is not a proven mathematically, it provides high confidence on set of descriptors and allows interpretation into synthetic textures. In this thesis methods and algorithms were developed to achieve the following goals : 1. Segment main representative texture zones on cores. This is achieved automatically through learning and classifying textures based on parametric model. 2. Find links between scanner images and petrophysical parameters. This is achieved though calibrating and predicting petrophysical data with images (Supervised Learning Process).

Dans les puits de production d’eau, de pétrole, de gaz et de chaleur géothermique, ou dans les puits d’accès à un stockage d’hydrocarbures, il est précieux de connaître la perméabilité de la formation ou de sa couverture en fonction de la profondeur, soit pour améliorer le modèle de réservoir, soit pour choisir les zones dans lesquelles procéder à des opérations spéciales.On propose une technique qui consiste à balayer la hauteur du découvert par une interface entre deux liquides de viscosités très contrastées. Le débit total qui pénètre la formation à chaque instant est ainsi une fonction de la position de l’interface et de l’historique des pressions dans le puits. On doit alors résoudre un problème inverse : rechercher la perméabilité fonction de la profondeur à partir de l’historique des débits dans le temps. Dans la pratique, le puits est équipé d’un tube central. Le balayage est effectué par injection d’un liquide à pression d’entrée constante dans le tube central et soutirage d’un autre liquide par l’espace annulaire. On mesure les débits d’injection et de soutirage dont la différence est le débit qui entre dans la formation.Pour valider et améliorer cette technique, on a d’abord utilisé une maquette simulant un découvert multi-couches disponible au LMS. On a exploité aussi des essais en place réalisés dans la couverture peu perméable d’un stockage souterrain de gaz. Dans ces essais, un liquide visqueux placé dans le découvert était déplacé par un liquide moins visqueux (méthode dite « opening »). Les couches plus perméables étaient correctement identifiées (Manivannan et al. 2017), mais une estimation quantitative était un défi en raison des phénomènes transitoires qui affectent le voisinage immédiat des puits. De plus, le rayon investigué dans le massif était petit.La thèse a relevé ces défis en proposant un essai légèrement différent et une nouvelle technique d’interprétation. Les essais avec une maquette modifiée ont montré la supériorité d’une méthode « closing » dans laquelle le puits est d’abord rempli du liquide le moins visqueux. On ménage une période de stabilisation avant l’injection du liquide visqueux pour réduire les effets transitoires ; elle permet aussi d’estimer la perméabilité moyenne et l’influence de la zone endommagée à la paroi (le « skin »).Puis on conduit l’essai proprement dit. L’historique des débits mesurés en tête de puits constitue le profil d’injection dont on déduit le profil de perméabilité.. Cette estimation suppose un écoulement monophasique dans chaque couche et la même « skin » pour toute la formation. Les incertitudes principales portent sur les pressions de formation et les variations possibles du « skin ». Elles sont estimées au moyen d’un calcul analytique. On a vérifié sur la maquette que les profils de perméabilité estimés présentent une bonne concordance avec les perméabilités mesurées avant les essais.On a réalisé un essai sur un sondage de 1750 m de long atteignant une couche de sel dont on a correctement estimé la perméabilité moyenne pendant la période de stabilisation. Toutefois elle était si faible (4.0E-21 m²) que l’utilisation de deux fluides n’a pas permis de faire une différence entre les diverses parties du puits. / In wells producing water, oil, gas or geothermal energy, or in access wells to hydrocarbon storage, it is critical to evaluate the permeability of the formation as a function of depth, to improve the reservoir model, and also to identify the zones where additional investigation or special completions are especially useful.A new technique is proposed, consisting of scanning the open hole (uncased section of the wellbore) with an interface between two fluids with a large viscosity contrast. The injection rate into the formation depends on interface location and well pressure history. An inverse problem should be solved: estimate permeability as a function of depth from the evolution of flow rates with time. The wells are usually equipped with a central tube. The scanning is done by injecting a liquid in the central tube at constant wellhead pressure. Injection and withdrawal rates are measured at the wellhead; the difference between these two rates is the formation injection rate.To validate and improve this technique, we used a laboratory model mimicking a multi-layer formation, already available at LMS. We also made use of in-situ tests performed on an ultra-low permeable cap rock above an underground gas storage reservoir. In these tests, a viscous fluid contained in the open hole was displaced by a less-viscous fluid (a method called opening WTLog). The more permeable layers were correctly identified (Manivannan et al. 2017), but a quantitative estimation was challenging due to transient phenomena in the vicinity of the wellbore (near-wellbore zone). In addition, the investigation radius was small.These challenges are addressed by proposing a slightly modified test procedure and a new interpretation workflow. Laboratory tests with a modified test setup showed the advantages of the ‘closing’ method in which the well is filled with a less-viscous fluid at the start of the test. We also added a stabilization period before the injection of viscous fluid to minimize the transient effects; this period is also used to estimate the average permeability of the open hole and the effect of near-wellbore damage (skin).Then the test proper is performed (closing WTLog). The injection profile of the less-viscous fluid is computed from the wellhead flow rate history. A permeability profile is estimated from the injection profile. The permeability estimation considers a monophasic flow in each layer and the same skin value for all the formation layers. Major uncertainties in the permeability estimates are caused by formation pressures and heterogeneities in skin values; they are estimated using an analytical formula. We have verified on the laboratory setup that the estimated permeability profiles are well correlated to the permeabilities measured before the tests.An attempt was made to perform a WTLog in a 1750-m long wellbore opening in a salt formation. The first phase was successful and the average permeability was correctly assessed. However, this permeability was so small (4.0E-21 m² or 4 nD) that the gauges and the flowmeters were not accurate enough to allow a clear distinction between the permeabilities of the various parts of the open hole.

La connaissance de la structure thermique interne de la Terre est essentielle pour mieux appréhender les phénomènes géologiques observables à la surface du globe. Cette structure thermique est déterminée par les échanges thermiques conductifs et convectifs au sein du manteau. Ces derniers sont essentiellement contrôlés par les propriétés de transport thermique des roches du manteau. Le travail de thèse propose une étude de ces propriétés par la détermination expérimentale de la diffusivité thermique à haute température et haute pression. Pour cela, des mesures de diffusivité thermique sur monocristaux et agrégats naturels d'olivine (roches) ont été conduites à l'aide de trois méthodes de mesures, dont l'une a été élaborée à Montpellier. Les mesures sur monocristaux montrent une forte anisotropie de la diffusivité thermique et une contribution significative du rayonnement au transport thermique à haute température. Les mesures sur des péridotites déformées naturellement montrent que l'orientation préférentielle des cristaux d'olivine conduit à une anisotropie significative (25%) de la diffusivité thermique, qui se conserve à haute température. La comparaison entre le comportement des monocristaux et des agrégats d'olivine suggère que la contribution des phonons à la diffusivité thermique n'est pas affectée par les joints de grain ou les imperfections de la roche et que bien que diminuée par l'effet des joints de grains, la contribution radiative demeure significative à l'échelle de la roche. La diffusivité thermique résultante dans les conditions du manteau est proche de 1.5 mm2.s-1, et elle est 50% plus élevée que celle déduite des études antérieures. La modélisation des géothermes dans divers contextes géodynamiques montre que des valeurs réalistes de la contribution des phonons, ajoutées à une contribution radiative significative et une anisotropie de la diffusivité thermique peuvent avoir un effet majeur sur la dynamique de la lithosphère et du manteau convectif.