L'objectif principal de la thèse est de définir comment l'incertitude peut être prise en compte dans leprocessus d'évaluation des risques pour le stockage de CO2 et de quantifier, à l'aide de modèles numériques,les scénarios de fuite par migration latérale et à travers la couverture. Les scénarios choisis sont quantifiéspar l'approche de modélisation de système pour laquelle des modèles numériques prédictifs ad-hoc sontdéveloppés. Une étude probabiliste de propagation d'incertitude paramétrique par un méta-modèle depolynômes de chaos est réalisée. La problématique de la prise en compte de la variabilité spatiale comme unesource d'incertitude est éclairée et une étude comparative entre représentations homogène et hétérogène de laperméabilité est fournie. / The main goal of the thesis is to define how the uncertainty can be accounted for in the process of riskassessment for CO2 storage and to quantify by means of numerical models the scenarii of leakage by lateralmigration and through the caprock. The chosen scenarii are quantified using the system modeling approachfor which ad-hoc predictive numerical models are developed. A probabilistic parametric uncertaintypropagation study using polynomial chaos expansion is performed. Matters of spatial variability are alsodiscussed and a comparison between homogeneous and heterogeneous representations of permeability isprovided.

Cette thèse touche à la problématique des échanges de gaz aux interfaces entre la géosphère, la biosphère, l'hydrosphère et l'atmosphère par l'intermédiaire du monitoring géochimique des gaz appliqué aux sites de stockage géologiques du CO2. Au niveau de l'axe « Métrologie », nous avons développé une plate-forme de monitoring géochimique continu, in situ et déportée par spectrométrie FTIR/Raman pour la mesure des gaz du sol (CO2, CH4, N2, O2, H2O). Des protocoles de quantification ont été développés pour la mesure par télédétection infrarouge terrestre en mode passif du CO2, CH4, SO2, H2S dans l'atmosphère. Au niveau des axes « Monitoring » et « Modélisation », les mesures de gaz du sol à proximité du puits d'injection de Rousse (Pilote CO2 Total, Lacq/Rousse, France) sur plus de sept cycles saisonniers ont montré une anti-corrélation entre la teneur en CO2 et les variations du niveau piézométrique de la nappe. Cette relation a permis de modéliser l'enveloppe de variabilité « naturelle » de la teneur en CO2 dans le sol, qui constitue un élément clé pour la surveillance des sites de stockage. Les variations majeures de teneur en CO2 sont attribuées à des processus de dissolution/libération de CO2 par la nappe, jouant un rôle de pompe à CO2. La concentration en CO2 en surface (+1m) serait gouvernée par les variations de teneur en CO2 du sol. Les mesures par télédétection FTIR des gaz dans l'atmosphère ont permis d'établir pour la première fois une simulation expérimentale 3D des enveloppes de CO2 à l'aplomb du site d'injection. Ces résultats constituent un premier pas vers la mise en place d'un outil de surveillance des panaches gazeux dans l'atmosphère / This study is based on the problematic of gas exchanges at the interface between the geosphere, biosphere, hydrosphere and atmosphere through the geochemical monitoring of gas applied to CO2 geological storage sites. Concerning the "Metrological" aspect, we developed and implemented an in situ continuous geochemical monitoring station, based on coupling FTIR/ Raman spectrometry for measuring soil gas (O2, N2, CO2, CH4 and H2O) close to the injection wells of Rousse 1 (CCS Total pilot, Lacq-Rousse, France). We also developed protocols to identify and quantify CO2, CH4, SO2, H2S in the atmosphere (plume) by passive remote sensing FTIR. On the "Monitoring" and "Modelling" aspects, the continuous recording of soil CO2 concentration during more than 7 seasonal cycles indicate that CO2 concentration in the soil was anti-correlated with changes in piezometric level of the groundwater. This correlation was used to model the limits of natural variability of CO2 content in the soil, which is a key to CCS sites monitoring. The main fluctuations in soil CO2 content was assigned to a dissolution/release process of CO2 by the perched water table, acting as a CO2 pump. The CO2 concentration at the near surface (+ 1 m) would be governed by changes of the soil CO2 content. FITR remote sensing measurement of atmospheric gases allowed for the first time to perform an experimental 3D simulation of CO2 layers on the injection site. This type of experimental simulation is a first step for the monitoring of gases in the atmosphere

L'objectif de cette thèse était de modéliser à partir des expériences de percolation-réactive, les processus hydrodynamique et réactionnel qui gouvernent l'altération des ciments de puits. Différentes expériences ont été réalisées dans des conditions représentatives de celles du stockage du CO2. Des échantillons fracturés ont été utilisés pour injecter une saumure enrichie en CO2 à 60°C et 10MPa et à différentes pressions partielles de CO2. Le débitd'injection variait en fonction des propriétés hydrauliques de l'échantillon exposé. L'injection d'une saumure enrichie en CO2 à débit constant à travers une fracture supposée plane a permis d'étudier les modifications des propriétés hydrodynamiques et ces conséquences sur la géochimie et la microstructure du ciment altéré. L'impact dynamique de l'évolution microstructurale a été mis en évidence. Les expériences conduites sur des échantillons présentant de larges ouvertures, réalisées sur une durée de 5 h, ont montré que la perméabilité était maintenue constante le long de l'expérience. Trois couches d'altération se sont développées consécutivement à la dissolution de la portlandite et la décalcification des CSH. L'altération a entrainé la précipitation des carbonates et de la silice amorphe à proximité de la fracture. Dans le cas d'une expérience longue durée appliquant les mêmes conditions que précédemment on a observé que la croissance de la silice amorphe a entrainé la diminution de la perméabilité. Par ailleurs les expériences effectuées sur des échantillons présentant de faibles ouvertures, ont indiqué que la conversion de la portlandite en calcite conduit au colmatage de la fracture. L'évolution des assemblages de phases conduisant à la formation des carbonates et de la silice amorphe a été modélisée à partir du code géochimique GEMS. Les mécanismes de diffusion et les processus de mise en place des couches d'altération ont été étudiés à partir d'un modèle analytique et d'un modèle de transport réactif à partir du code géochimique PHREEQC.