Les traceurs sont des espèces permettant de déterminer la position ou la distribution d'un produit et ceux-ci sont aujourd'hui présents dans de très nombreux domaines. Bien que chacune des applications possède un cahier des charges bien spécifique, il est possible de les retrouver dans des domaines aussi divers que la médecine (agents de contraste), l'anticontrefaçon ou encore l'exploration géologique. Nous avons ainsi développé des traceurs d'eau d'injection pétrolière composés de complexes de lanthanides. Ces traceurs, dérivés du DOTA, ont pu être détectés à des concentrations inférieures au ppb, grâce à un appareillage simple et compact. Cette détection fut rendue possible par l'utilisation de la fluorescence en temps résolu, qui permet de contourner le bruit de fond créé par la fluorescence intrinsèque des résidus pétroliers présents dans les eaux de production. Nous avons également montré comment il était possible, grâce à une synthèse en microémulsion, d'encapsuler différents luminophores au sein d'une nanoparticule composée d'un coeur d'or et d'une coquille de silice. Ainsi, ces nanoparticules ont pu être utilisées comme traceurs intelligents afin de recueillir des informations sur les propriétés physicochimiques au sein des puits comme la température, le pH, la proportion entre différents solvants, etc. Enfin nous avons pu montrer comment une utilisation judicieuse des lanthanides et des propriétés complexantes des inhibiteurs de dépôts minéraux pouvait permettre leur dosage grâce à une méthode à la fois simple et rapide. Ce dosage permettra alors d'ajuster leur concentration dans les différents puits de production de pétrole / Tracers are objects allowing the determination of the position or the distribution of a product; tracers are currently used in a great variety of domains. Despite the fact that each field has it's own specifications, it is possible to find tracers in medicine (contrast agents), anti-counterfeiting or geological exploration. We have developed lanthanide complex tracers for oil field injection waters. Those tracers, derived from the DOTA, have been detected at concentration lower than 1 ppb, thanks to a simple and compact apparatus. This detection has been made possible by the use of time-resolved fluorescence spectroscopy, this technique allows us to get rid of the background noise created by the intrinsic fluorescence of oil residues that are present in production waters. We also demonstrated how we can, through a reverse microemulsion synthesis, encapsulate several different dyes inside a single nanoparticle composed of a gold core and a silica shell. We showed as well, how those particles can be used as smart tracers to gather data, such as temperature, pH, solvents, etc. inside the well. Finally the use of lanthanides and scale inhibitors properties allowed us to create a simple and fast dosing protocol of such scale inhibitors in injection waters. This dosage will then allow the quick adjustment of their concentration inside each well

Durant ce travail, la synthèse de nanoparticules hybrides composées d'un coeur organique cristallin fluorescent enrobé d'une coquille silicatée a été optimisée dans l'optique du développement d'un nouveau type de traceurs très brillants pour l'imagerie médicale (microscopie de fluorescence excitée à deux photons). La préparation des nanoparticules a pu être adaptée à différents types de fluorophores organiques. La composition de la coquille organosilicatée peut elle aussi être modulée afin de modifier les propriétés de dispersion en solution aqueuse, la charge de surface des particules ou les fonctions chimiques de surface. Le coeur organique de ces particules se dissolvant dans les solvants organiques, différentes stratégies de fonctionnalisation en milieu aqueux ont été réalisées afin d'augmenter la furtivité de ces objets in vivo. Ces différentes méthodes ont permis de faire circuler les nanoparticules dans le flux sanguins de souris. La durée de vie de circulation de ces particules restant cependant courte, de nouvelles stratégies de fonctionnalisation (chimie click) devraient permettre à l'avenir d'allonger ce temps de circulation. / This work has allowed the synthesis of hybrid nanoparticles composed by organic crystal cores embedded in organosilicate shells for the development of in vivo imaging applications(two-photon fluorescence microscopy). The synthesis of these nanoparticles has been adapted with different types of organic dyes. The composition of the silicate shell can also be modulated in order to modify the properties of dispersion in aqueous solution, the surface charge of particles or chemical functions present at the surface. Due to the dissolution of organic cores in organic solvents, different strategies of functionalization were developed in aqueous media to enhance the furtivity of these nanoparticles in vivo. These methods have led to the circulation of the nanoparticles into the bloodstream of mice. However, the circulation lifetime of these nanoparticles is short. New strategies of functionalization (click chemistry) should help in the future to extend this circulation time for the possible development of these new fluorescent tracers.

L'objectif de ce travail de thèse a été de développer l'utilisation des isotopes du fer pour le traçage des métaux anciens, principalement ferreux. Notre approche méthodologique s'est articulée autour de trois axes majeurs. Le premier axe a consisté à étudier l'influence potentielle des processus métallurgiques sur la composition isotopique du fer des métaux produits. Pour cela, nous avons mesuré la composition isotopique du fer d'échantillons issus d'expérimentations de réduction de minerai de fer en bas fourneau, réalisées sur un site sidérurgique majeur de la période romaine (la Montagne Noire, Sud-Ouest de la France). Le second axe a eu pour objectif de valider ce nouveau traceur en mesurant la composition des isotopes du fer de minerais, scories et objets en fer issus d'un contexte archéologique connu et dont la provenance avait déjà été identifiée par des analyses élémentaires. Nous avons alors mesuré la composition des isotopes du fer de barres de fer principalement retrouvées dans des épaves romaines au large des Saintes-Maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhône, France). Enfin, le troisième axe a eu pour vocation d'estimer la pertinence, mais aussi les limites de ce nouvel outil en l'appliquant à deux terrains archéologiques très différents, où aucune étude de traçage classique n'avait été utilisée précédemment. Ces deux terrains concernaient la sidérurgie ancienne au Togo et la production de plomb argentifère médiévale au Maroc. Les résultats obtenus montrent que la composition isotopique du fer de la scorie et du métal produit est similaire à celle du minerai correspondant. Il n'y a donc pas de fractionnement des isotopes du fer tout au long de la chaîne opératoire de production de fer. De plus, et contrairement à certains traceurs élémentaires, les isotopes du fer ne sont pas contaminés par la paroi du four très pauvre en cet élément durant la réduction. Ceci permet ainsi d'établir des liens de provenance directs entre un objet en fer et un minerai. L'application de cette méthode de traçage à un contexte archéologique déjà largement étudié a permis de valider les hypothèses de provenance d'objets archéologiques. En outre, les isotopes du fer peuvent être plus discriminants que les éléments en trace car ils permettent notamment de différencier des productions de fer temporellement et géographiquement très proches. Le traçage est ainsi affiné. Enfin, nos résultats préliminaires suggèrent que les analyses des isotopes du fer pourraient également être appliquées à l'étude de la production de métaux non ferreux. Cette étude offre ainsi de nombreuses perspectives, telles que l'étude de la provenance de pièces de musée étant donné la faible quantité de matière nécessaire, l'établissement d'une base de données de composition isotopique du fer de minerais archéologiques et l'élaboration d'une méthode de traçage commune aux métaux ferreux et non ferreux. / The objective of this work was to develop the use of iron isotopes for ancient, essentially ferrous metal tracing. Our methodological approach was based on three major directions. The first one consisted in the assessment of the potential influence of metallurgical processes on iron isotope compositions of the reduction products. For this purpose, we measured the iron isotope composition of materials from experiments of iron ore reduction in bloomery furnace performed in a major site of iron production during the Roman period (Montagne Noire, SW France). The second direction aimed at validating this new tracer through the iron isotope measurement of ores, slags and iron artefact samples from a well-defined archaeological context, and whose provenance was previously investigated by elemental analyses. We thus measured the isotopic composition of iron bars discovered in Roman shipwrecks found offshore Les-Saintes-maries-de-la-Mer (Bouches-du-Rhône, France). Thirdly, we estimated the relevance and limitations of our new tracing approach by applying it to the study of two different archaeological fields, on which no previous provenance study had been performed. These were the ancient iron production from North East Togo and the Medieval lead-silver production in Morocco (Anti Atlas Massif). The results demonstrate that the isotopic composition of slags and metals produced reflect that of their corresponding ores because no iron isotope fractionation occurs along the entire chaîne opératoire of iron production. Moreover, and in contrast to several elemental tracers, iron isotopes are not impacted by iron contribution from the smelting device during the reduction process, which allows to establish provenance links directly between an iron artifact and a specific ore. The application of this tracing method in a well-studied archaeological context has allowed to validate the provenance assumption of several archaeological artifacts. Furthermore, iron isotopes may provide a more discriminative tracer than trace elements because a temporal and geographical distinction is possible between close iron production sites. The tracing is thus more precise. Finally, our results suggest that iron isotope analyses could also be used in the study of non-ferrous metal production. This work offers many perspectives in provenance studies of museum pieces given the very small amount of material needed, in the setup of a database of iron isotope compositions of archaeological iron ores and the establishment of a common tracing approach for both ferrous and non-ferrous metals.

Le volcanisme des zones de subduction est associé à la déshydratation de la plaque lithosphérique subduite. La présence d'eau permet d'abaisser les conditions nécessaires au déclenchement de la fusion partielle du manteau.<br /><br />Un modèle numérique bidimensionnel en éléments finis a été développé afin de déterminer l'influence des paramètres géométriques de la subduction sur cette fusion partielle. Ce modèle intègre de manière couplée la résolution des équations de la mécanique des fluides, le calcul de la fusion partielle et les transferts d'eau entre les différentes phases minéralogiques du manteau et de la croûte. Du point de vue technique, les équations de conservation de l'énergie sont résolues par une méthode de type Galerkin tandis que les équations de conservation de la masse et du moment utilisent une procédure de pénalisation. La prise en compte des transferts de fluides se fait par le biais d'une méthode de traceurs. Chacun d'entre eux porte une information de composition minéralogique et de teneur en eau. En fonction des conditions de pression et de température, nous pouvons déterminer, à partir d'un diagramme de phase, les teneurs maximales en eau que peut accepter un traceur et donc évaluer la migration du fluide.<br /><br />Les résultats obtenus sont en accord avec les données géochimiques enregistrées en surface dans les laves des arcs<br />volcaniques. Ainsi, une augmentation de l'épaisseur de la croûte chevauchante est associée à une diminution de la production magmatique totale, tandis qu'une augmentation du taux de convergence des plaques est corrélée avec une augmentation du taux de fusion partielle.

Les régimes dynamiques dans les basses couches de l'atmosphère à l'île de la Réunion sont conditionnés par l'action du relief et du rayonnement sur l'écoulement synoptique. L'île est située en permanence dans le flux des alizés de sud-est et son relief élevé, culminant à 3000 m dans le centre de l'île et 2600 m au sud, constitue un obstacle important pour l'écoulement moyen. Le relief, le chauffage différentiel des pentes et le contraste thermique avec l'océan influent sur les échanges locaux entre la couche limite marine et la troposphère libre.L'analyse des phénomènes complexes de l'écoulement atmosphérique au niveau de l'île a pour but initial de caractériser les transferts de polluants émis localement. Cette étude a deux applications : * La première rentre dans le cadre préparatoire à la mise en place, à 2200 m d'altitude sur le Piton Maïdo, de l'observatoire atmosphérique de l'OPAR, à l'horizon 2011. L'objectif est de comprendre les circulations locales induites par le relief et les transports associés afin de discriminer d'éventuelles pollutions par les sources locales sur le signal qui sera mesuré in situ au sommet du Maïdo.* La seconde vise à étudier la diffusion des panaches volcaniques du Piton de la Fournaise. L'éruption majeure d'avril 2007 du volcan réunionnais a montré que des panaches pouvaient générer d'importantes pollutions dans diverses parties de l'île allant jusqu'à poser de réels problèmes environnementaux et de santé publique.Ces applications s'appuient sur une étude par modélisation numérique à haute résolution des écoulements atmosphériques dans les basses couches au niveau de l'île, au moyen du modèle météorologique de recherche MésoNH, permettant de conduire un ensemble de simulations sur cas idéalisés puis sur cas réels avec diffusion de traceurs passifs.

Les verres du système binaire Ag₂S-As₂S₃ sont connus pour être de très bons conducteurs ioniques et l'ajout de HgI₂ permet d'envisager une application des verres du pseudo-ternaire HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ en tant que membrane ionique spécifique dédiée au dosage du mercure en solution aqueuse. Les limites de son domaine vitreux ont été vérifiées à l'aide de la diffraction des rayons X. Les évolutions des propriétés macroscopiques des verres, incluant les densités et les températures caractéristiques (Tg, Tc et Tf) ont été analysées de façon systématique. Les propriétés de conduction des verres HgI₂-Ag₂S-As₂S₃ ont été évaluées à l'aide de la spectroscopie d'impédance complexe et de la diffusion du traceur radioactif 108mAg. Un des résultats les plus marquants dans ces verres conducteurs ioniques est l'augmentation de la conductivité lorsque Ag₂S est substitué par HgI₂. Afin de comprendre les mécanismes de conduction mis en jeu, des études structurales ont été menées par spectroscopie Raman, diffusion de neutrons et diffraction des rayons X haute énergie. Pour appréhender la structure de ces verres complexes, des études préalables sur les deux systèmes pseudo-binaires Ag₂S-As₂S₃ et HgI₂-As₂S₃ ont aussi été menées. Les différentes techniques utilisées ont notamment permis de montrer que des réactions d'échanges se produisaient lors de la synthèse. Enfin, la dernière partie de cette thèse est entièrement consacrée à la caractérisation de nouveaux capteurs chimiques pour la détection des ions Hg²+ en solution. Différentes compositions sont testées afin de définir la sensibilité, la limite de détection et les coefficients de sélectivité en présence d'ions interférents.

La prévision de la durée de vie des composants des centrales REP, en particulier les générateurs de vapeur, est cruciale. De nombreux travaux ont été menés pour comprendre les mécanismes de détérioration des composants par corrosion sous contrainte. Ces mécanismes restent mal connus. La couche d'oxyde doit jouer un rôle prépondérant. Une méthodologie, associant les techniques ToF-SIMS in situ et XPS, a été développée pour déterminer les cinétiques d'oxydation et comprendre les mécanismes de croissance des couches d'oxyde. La cinétique, la composition et la stratification des couches d'oxyde formées dans l'eau à haute température sur l'alliage 600 ont été comparées à des couches d'oxyde modèles formées in situ dans les bâtis XPS et ToF-SIMS en milieu gazeux à 300°C sous faible pression d'oxygène. On montre ainsi que l'oxydation en milieu gazeux à 300°C est un bon modèle pour simuler l'oxydation en milieu primaire. Une méthodologie originale a ensuite été mise au point à l'aide du ToF-SIMS pour déterminer les mécanismes de transport des espèces. Des échantillons préalablement oxydés en phase gazeuse ou dans l'eau à haute température ont été, dans une deuxième étape, réoxydés in situ dans le bâti ToF-SIMS à la même température, sous basse pression d'oxygène isotopique 18. Il apparait que la croissance de l'oxyde est localisée à l'interface métal/oxyde du fait de la diffusion des anions O2-, des phénomènes d'échange isotopique se produisant simultanément à l'oxydation. Le coefficient de diffusion de l'oxygène a pu être déterminé à l'aide d'un modèle approprié développé au cours de ce travail. / The lifetime prediction of pressurized water reactor (PWR) components, especially the steam generators (SG), is of high interest. Several works have been dedicated to the understanding of the stress corrosion cracking (SCC) mechanisms. However these mechanisms are still relatively poorly understood. The oxide layer should play an important role. A methodology, combining in situ ToF-SIMS and XPS techniques, has been developed to determine the oxidation kinetics and to understand the oxide layer growth mechanisms. Kinetics, composition and stratification of the oxide layers, formed in high temperature water on Alloy 600, were compared to model oxide layers formed in situ at 300°C under a low oxygen pressure. It shows that thermal oxidation under low oxygen pressure is a suitable model to simulate the oxidation in high temperature water. Finally, an original methodology based on ToF-SIMS has been developed to determine the transport mechanisms governing the oxide growth. Samples previously oxidized under a low oxygen pressure or in high temperature water, are, in a second step, re-oxidized in situ in the ToF-SIMS chamber at the same temperature under low oxygen isotope 18 pressure. It appears that the oxide growth is located at the metal/oxide interface due to the diffusion of O2- anions, isotopic exchange phenomena occuring simultaneously with oxidation. The oxygen diffusion coefficient was determined using an appropriate model developed in this work.

L'Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire a sélectionné le massif de Tournemire (Aveyron) pour installer sa station expérimentale dans le cadre de ses recherches sur les capacités de confinement des milieux argileux pour le stockage de déchets radioactifs. Compte tenu des très faibles teneur en eau et perméabilité des couches argileuses des argilites, la migration dans ce milieu devrait être très faible. L'écoulement et le transport ont été étudiés en utilisant des traceurs naturels de la solution interstitielle.<br /><br />Après le développement d'un nouveau protocole pour l'extraction du chlorure de l'eau porale et des tests sur la méthode de distillation sous vide de la roche pour la mesure du deutérium de l'eau porale, l'acquisition de données pour ces deux traceurs (étudiés pour leur comportement géochimique conservatif) a été effectuée sur la séquence géologique du massif et à proximité des fractures. Les profils de données obtenus suggèrent que le processus majeur de transferts dans le massif soit la diffusion moléculaire mais ils montrent un enrichissement en ?D et ?18O de la solution interstitielle, jusqu'à un mètre à proximité des fractures, comparé à l'eau porale dans la matrice au-delà de cette zone. Ces observations suggèrent qu'un second processus de transport puisse générer des transferts spécifiques à proximité des fractures.<br /><br />L'hypothèse du processus de diffusion moléculaire à l'échelle du massif a été testée par un modèle de transport, sur une période de plusieurs dizaines de millions d'années, en prenant en compte les caractéristiques géodynamiques de la région (telles que la tectonique et la fracturation induite), et en proposant des scénarios de variations des concentrations de traceurs aux limites du système pour représenter les changements climatiques majeurs. Les transferts de traceurs dans le massif, principalement diffusifs, sont ou ont pu être affectés par un second processus engendrant l'hétérogénéité des concentrations à proximité des fractures. Ce processus implique soit une intrusion de solutions salées, soit des transferts internes au massif dus à des surpressions.

La performance d’un système doit être bien définie, atteignable et surtout mesurable. Ce n’est pas le cas aujourd’hui pour la ventilation. D’une part, les performances des systèmes de ventilation sont habituellement exprimées sur des considérations énergétiques ou tout simplement sur une estimation trop approximative des débits de ventilation. Les performances liées au confort thermique et à la qualité de l’air intérieur sont abordées séparément à travers des outils d’évaluation dédiés. D’autre part, les outils d’évaluation existants sont aujourd’hui limités dans leur mise en pratique pour des mesures in situ, notamment lorsqu’il s’agit de ventilation naturelle et mixte. L’objectif de cette thèse est alors d’examiner et d’expérimenter les techniques expérimentales existantes à échelle réelle afin de proposer des améliorations sur les méthodes d’évaluation et de commissionnement. La thèse aborde la performance de la ventilation en prenant en compte l’efficacité de ventilation comme performance intrinsèque et le confort thermique comme performance globale.La première partie est consacrée à l’évaluation in situ des performances intrinsèques de ventilation (taux de ventilation, âges moyens de l’air et efficacité de renouvellement d’air), en se basant sur des techniques de gaz traceurs. Après une analyse théorique des différents indicateurs de performance de ventilation et de leurs techniques de mesure correspondantes, une étude expérimentale a été menée dans une salle de cours sous différentes stratégies de ventilation (mécanique, naturelle et mixte). Les analyses ont démontré l’importance de la mise en application des techniques de décroissance de gaz traceurs sur l’incertitude des taux de renouvellement d’air avec notamment une forte influence des temps de mesure et des concentrations de gaz utilisées. Une méthodologie a été adaptée puis testée pour la mesure de l’efficacité de renouvellement d’air en ventilation mécanique, naturelle et mixte en s’affranchissant de mesures en bouches d’extraction (technique habituellement utilisée et préconisée par les normes).La deuxième partie est consacrée à l’évaluation expérimentale in situ du confort thermique sous différentes configurations de ventilation. Différentes méthodes, standards et techniques d’évaluation ont été testés et comparés avec la perception des occupants. Les résultats ont démontré la présence de plusieurs inadéquations lors de la mise en pratique des méthodes et normes existantes. Principalement, il s’agit de l’inadéquation des méthodes statiques (PMV PPD) pour l’évaluation du confort en présence de conditions thermiques fluctuantes, y compris en ventilation mécanique. Les analyses d’incertitudes liées aux erreurs de mesure ont démontré l’incohérence des normes actuelles dans la classification des catégories de confort. / The performance of a system must be well defined, attainable and above all measurable. This is not the case today for ventilation. On the one hand ventilation performance is usually declined on energy efficiency considerations or simply on a rough estimation of ventilation rates. The performance related to thermal comfort and IAQ are addressed separately through dedicated evaluation tools. On the other hand, the existing evaluation tools today are nowadays limited in their practical applications for in situ measurements, in particular in the case of natural and mixed ventilation. The aim of the present thesis is to examine the existing experimental technics, at full scale building in order to propose improvements on evaluation methods and commissioning protocols. The present thesis deals with ventilation performance taking into account ventilation efficiency as intrinsic performance and thermal comfort as overall performance.The first part is devoted to the in situ assessment of intrinsic ventilation performance (ventilation rates, mean age of air, and air exchange efficiency), based on decay tracer gas techniques. After a theorical analysis of the various performance indexes and their corresponding measurement techniques, an experimental study was carried out in a classroom under different ventilation strategies (mechanical, natural & mixed mode). The analysis proved the importance of the application of the tracer gas decay on ventilation rates accuracy with in particular a strong influence of measurement times and used tracer gas concentration. A methodology has been adapted and tested for the measurement of the air exchange efficiency in natural and mixed mode ventilation, by avoiding measurements in exhaust vents (a technique usually used and advocated by current standards).The second part is devoted to in situ assessment of thermal comfort under different ventilation strategies. Different methods, standards and evaluation techniques were tested and compared with occupants’ perception. The results demonstrated the presence of several inadequacies during the implementation of existing methods and standards. Mainly, it concerns the inadequacy of static methods (PMV PPD) for thermal comfort assessment in the presence of fluctuating thermal conditions, even with mechanical ventilation. Uncertainty analysis related to measurement errors has demonstrated the incoherence of current standards in the classification of comfort categories.

Ce travail s’inscrit dans la problématique d’évaluation de sûreté préalable au possible stockage de déchets radioactifs HAVL en couches géologiques profondes. Afin de consolider les modèles de prédiction à longue terme des risques associés à une contamination potentielle de la biosphère par le 79Se, la biogéochimie du sélénium stable a été explorée, en visant dans un premier temps un éclairage sur la dynamique du cycle global de Se dans un écosystème forestier en terme de stock et flux annuels. Suite aux résultats de la première partie, qui suggèrent l’importance du sol et son pool organique dans le cycle global de Se, deux études basées sur l’utilise des traceurs isotopique stables ont été ensuite menées afin de clarifier les processus impliqués (i) dans la rétention et la réactivité de Se dans les sols et (ii) dans la bio-incorporation de Se inorganique dans la biomasse des plantes au sein d’une fraction organique. / This work was performed in the frame of the safety assessment program prior to the possible construction of an underground repository for nuclear waste (HAVL). To consolidate risk assessment models associated to a potential 79Se biosphere contamination, biogeochemistry of stable selenium was investigated, aiming firstly to highlight the dynamics of Se cycling in a forest ecosystem, in terms of inventories and annual fluxes. Consequently to these first results, which suggest a clay role of soil and its organic pool in the global Se cycle, two studies based on the use of isotopically enriched tracers were further carried out in order to clarify the processes involved in (i) Se retention and reactivity in soils and (ii) incorporation of inorganic Se within organic pool of vegetal biomass.