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This study deals with thermal convection present in all its diversity in geophysical systems. This example is presented in different envelopes internal of the Earth. Indeed, the system "Earth" involves, in addition to a purely thermal convection, one or more additional ingredients. in the core, the solidification of the seed releases and maintains a light elements convection thermo-solute. The convection then take a particular form due to the rotation of the Earth. The instability could also affect tides these movements. In the mantle is probably one involving convection fluids of different properties that takes place. Finally, during the formation of Earth, iron droplets were sedimented in a convective flow of material formed less dense. It is therefore in the broadest sense we should take the word "heterogeneous" title. in this study, convection refers to heterogeneous thermal convection which is add one or more ingredients., Cette étude traite de la convection thermique présente dans toute sa diversité dans les systèmes géophysiques. Celle-ci est par exemple présente dans les différentes enveloppes internes de la Terre. En effet, le système "Terre" fait intervenir, en plus d'une convection purement thermique, un ou plusieurs ingrédients supplémentaires. Dans le noyau, la solidification de la graine libère des éléments légers et entretient une convection thermo-solutale. Les mouvements de convection prennent alors une forme particulière due à la rotation de la Terre. L'instabilité de marées pourrait également perturber ces mouvements. Dans le manteau, c'est sans doute une convection impliquant des fluides de propriétés différentes qui a lieu. Enfin, lors de la formation de la Terre, des gouttelettes de fer ont sédimenté dans un écoulement convectif formé de matériau moins dense. C'est donc au sens le plus large qu'il faut prendre le mot "hétérogène" du titre. Dans cette étude, la convection hétérogène désigne la convection thermique à laquelle vient s'ajouter un ou plusieurs ingrédients.

Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/nu (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et nu est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C \in [0.075, 0.7] et Re \in [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révèle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

Operators of non-hazardous waste landfills have to ensure that the waste biodegrades uniformly and rapidly, to shorten the costly post-operation period. Leachate (liquids resulting from biodegradation) must be injected into the waste while controlling the volumes used, in order to maintain the correct moisture level to ensure better biodegradation and limit the piezometric level to 50 cm above the bottoms, in accordance with regulations. To achieve these requirements, operators need tools for characterising and modelling leachate circulation. The aim of this work is to study leachate recirculation in industrial waste sites using combined geophysical data and hydrodynamic modelling. We aim to contribute to define a conceptual model of leachate circulation in an industrial waste site using an approach combining simulation and hydrogeophysics. The first stage in this work involved methodological development of geophysical ERT and MRS in order to adapt them to waste characterisation. In the case of ERT, several authors have shown that there may be false variations in the electrical resistivities calculated from inversions of data obtained during infiltration monitoring. This must be ascertained in order to establish whether they are artefacts of inversion or real resistivity variations. To validate the proposed solutions, the field ERT inversion results are compared with independent measurements (hydrological measurements, electrical resistivity measurements using buried probes, surface geophysical measurements). In the case of MRS One of the major problems of using MRS is the heterogeneous nature of waste, which affects the saturated water content distribution. Usually, MRS provides a 1D water content distribution. However, a 2D spatialised representation would be much better suited to the case of waste. For this reason it was decided to test a 2D inversion code developed at LTHE, based on a simple geometry medium, before carrying out experiments on real waste. The results of this 2D water content measurements are compared with other geophysical methods validate the 2D inversion code. The second stage involved analysing the geophysical results obtained from monitoring of leachate injection into the waste using the electrical resistivity method. The analysis of the ERT results provided information on the structure and hydrodynamic properties of the medium. The MRS results provided information on the hydraulic conductivity ranges in the waste mass studied.On the basis of this information and by combining the geophysical results with the hydrodynamic simulation (HYDRUS-2D), a conceptual model of leachate circulation in waste is proposed. The simulation results show that:  waste cannot in any circumstances be compared to a homogeneous porous medium at the industrial scale;  the medium is similar to a two-phase medium with a porous matrix of low hydraulic conductivity crossed by drains with a very high conductivity. Finally we found that combining geophysical tools with simple hydrodynamic simulation could open new perspectives for developing simulation tools applicable to industrial sites. This approach, and the methodological improvements proposed in this work, indicates that the research may be widened to include two other types of hydrological problem such as applied to infiltration in the top soil layers or identification of aquifer recharges systems., Les exploitants des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND) sont confrontés à la nécessité d'assurer une biodégradation homogène et rapide des déchets, pour ne pas prolonger la durée coûteuse de post-exploitation. Pour cela, il est nécessaire d'injecter des lixiviats (liquides résultant de la biodégradation) dans les déchets, tout en contrôlant les volumes injectés pour maintenir une bonne humidité assurant une meilleure biodégradation et limiter à 50 cm le niveau piézométrique en fond de casier (pour respecter la réglementation). Pour gérer ces contraintes, les industriels doivent disposer d'outils permettant de caractériser et de simuler les injections des lixiviats. Ce travail vise à étudier les injections des lixiviats et a pour but de contribuer à établir un modèle conceptuel de la circulation des lixiviats à l'échelle du site industriel par une approche combinée de la simulation et de l'hydrogéophysique. Deux méthodes géophysiques ont été utilisées, la Tomographie de Résistivité Electrique (ERT), employée en mode de « suivi temporel » et la Résonance Magnétique des Protons (RMP).La première étape consiste en un développement méthodologique des outils géophysiques ERT et RMP afin de faciliter leurs applications à la caractérisation des injections des lixiviats dans les massifs de déchets. La seconde étape de ce travail consiste en une analyse et une interprétation des résultats géophysiques des suivis temporels de résistivité lors d'injection des lixiviats dans les déchets. Ensuite les mesures RMP sont réalisées sur des échantillons saturés de déchets en laboratoire, puis sur le terrain dans une ISDND où les déchets étaient saturés. L'analyse des résultats ERT a permis de caractériser la structure et les propriétés hydrodynamiques du milieu. Les résultats RMP ont permis d'obtenir des informations sur les gammes de conductivité hydraulique dans le massif de déchets étudié.La troisième étape consiste en une combinaison entre les résultats géophysiques et une simulation hydrodynamique (réalisée avec HYDRUS-2D). Cela permet d'établir un modèle conceptuel des circulations des lixiviats dans les déchets. Les résultats de la simulation hydrodynamique montrent que les déchets ne peuvent-être comparés en aucun cas à un milieu poreux homogène à l'échelle du site industriel. De plus, le milieu s'apparente à un milieu composé d'une matrice poreuse de faible conductivité hydraulique, recoupée par des drains dont la conductivité est très forte.En résumé, les résultats de ce travail ouvrent de nouvelles perspectives dans l'application d'outils de simulation à l'échelle du site industriel pour l'étude de la circulation des lixiviats dans les déchets. Cette approche et les améliorations méthodologiques proposées dans ce travail, permettent d'entrevoir une application élargie pour d'autres types de problèmes hydrologiques, comme l'infiltration dans les premiers décimètres des sols, et l'identification des systèmes de recharge des aquifères, entre autres.

Plate tectonics postulate that plates are rigid and that deformations focus on their boundaries, generally narrow in oceanic areas. Some oceanic plates appear to derogate to these tenets. The Indo-Australian plate, for instance, displays a high level of intraplate seismicity expressing a high level of deformation of the oceanic lithosphere. Earthquake focal mechanisms express compressional deformation in the Eastern part of the plate and extensional deformation East of the Central Indian Ridge and North of the South-East Indian Ridge. Inversion of kinematic data, assuming rigid plates, lead to the concept of composite plates comprising rigid components separated by wide and diffuse boundaries. Using the example of the Indo-australian plate, this dissertation investigates how the oceanic lithosphere behaves when submitted to horizontal stresses and the role of preexisting features such as submarine plateaus or fossil fracture zones on the deformation pattern. The first part of this work focuses on the distribution of the low magnitude seismic activity in the deformed areas using hydroacoustic records from 3 autonomous hydrophones in the Southern Indian Ocean. The objective was to identify and localize active structures in the deformed areas. Due the geometry of this temporary array, little new information could be obtained, however these data confirmed the reactivation of fossil fracture zones in the extensional areas. The discovery of seismic foreshocks preceding high magnitude earthquakes along active transforms of the East Pacific and Juan de Fuca ridges lead us to search for such precursors in our data. A foreshock is defined as an event occurring few hours before a major event within a 100 km radius around it. No such foreshocks were detected in our partial analysis of data from the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT) hydroacoustic array. From the data of our temporary array, 13 events were identified as foreshocks few hours before major events on fracture zones ; however, with only three hydrophones, localization errors can not be estimated. Thus pursuing our investigations on these two issues would require to combine data from the two arrays, both to extend the data coverage and to improve the event localization. The second and main part of this study is devoted to model the deformation within the Indo-Australian lithosphere, both to test the validity of the composite plate concept and to evaluate the importance of pre-existing structures, such as submarine plateaus and fossil fracture zones, in the deformation pattern. To address this problem, we tested two numerical codes ADELI (Hassani et al., 1997) and SHELLS (Bird, 1989; Bird et Kong, 1994; Kong et Bird, 1995; Bird, 1999). The latter proved to be better adapted to our purpose. The plate is partitioned into a mesh of spherical triangular finite elements, and the numerical code calculates the deformation of each element. This code considers the age of the lithosphere and the presence of fracture zones or topography. Using the plate velocities as boundary conditions and some assumptions on the rheology of the lithosphere, SHELLS then calculates stress and strain on the lithosphere. The Indo-australian plate comprising several disjoint areas of deformation, we chose to model them separately : the first extensional area, between the Indian and Capricorn plates, comprises the Chagos Bank and a series of fracture zones oblique to the general N-S trend of the Central Indian Ridge ; the second extensional area, between the Capricorn and Australian plates, comprises the Amsterdam and St Paul plateau and a series of fracture zone perpendicular to the general WNW-ESE trend of the Southeast Indian Ridge ; the third area is dominated by a compressional deformation between the Indian, Capricorn and Australian plates, is bounded to the NE by the Sunda Trench and comprises the Ninetyeast Ridge and N-S oriented fracture zones of Paleocene to Eocene age in the Wharton and Central Indian basins. The boundary conditions of the models are derived from kinematic models assuming rigid plates. However, to account for the diffuse plate boundaries, we let one side of our four-sided meshes free and by doing so, we were able to reproduce the observed deformation pattern in the three modeled areas. Finally, we combined the three meshes into a single one to model the whole Indo-australian plate, where each of its sides is constrained by plate velocities. All our models predict deformation patterns consistent with the observed ones. Small discrepancies may occur and are discussed. All the models also emphasize the importance of preexisting structures of the lithosphere. For instance, the Chagos Bank focuses the deformation in the diffuse boundary between the Indian and Capricorn plates where magnitude-eight earthquakes occurred. Fossil fracture zones turn out to be weaknesses that accommodate a large fraction of the intraplate deformation. For instance, the Ninetyeast Ridge and the fracture zones immediately east of it explain the different behavior between the Central Indian Basin, where the deformation is essentially compressional in a N-S direction, and the Wharton Basin, where the deformation includes left-lateral shear and NW-SE compression. Our models also predicts rates of extension or shortening consistent with previous studies : east of the Central Indian Ridge, India moves away from Capricorn at ~2 mm/yr in a N-S direction ; west of the Sunda Trench, Australia moves towards India at ~11.5 mm/yr in a NWSE direction. To the first order, the concept of composite plate thus seems valid for the Indo-australian plate, however the shape of the diffuse boundaries may be more complex than anticipated.; La tectonique des plaques repose sur le postulat que les plaques sont rigides et que l'essentiel des déformations se concentre sur leurs frontières, généralement étroites en domaine océanique. Plusieurs plaques océaniques semblent y déroger. La plaque Indo-Australienne montre par exemple une forte sismicité en dehors de ses frontières, qui traduit une déformation intraplaque intense. Les mécaniques au foyer expriment une déformation compressive dans la partie Est de la plaque, et une déformation extensive sur le flanc Est de la dorsale centrale Indienne et sur le flanc Nord de la dorsale Sud Est Indienne. L'inversion de données cinématiques, qui supposent des plaques rigides, abouti au concept de plaques composites composées d'éléments rigides séparés par des limites larges et diffuses. En utilisant l'exemple de la plaque Indo-Australienne, ce travail cherche à savoir comment se comporte la lithosphère océanique quand elle est soumise à des contraintes horizontales et le rôle joué par les structures préexistantes comme les plateaux sous-marins ou les zones de fracture fossiles sur la déformation. La première partie de ce travail s'est intéressée à la sismicité de faible magnitude détectée par un réseau temporaire de 3 hydrophones déployés dans l'océan Indien Austral. L'objectif était de mieux identifier et localiser les structures actives des zones déformées. En raison de la géométrie du réseau, ces données apportent peu d'informations nouvelles mais confirment le rôle des zones de fracture fossiles dans la déformation des domaines en extension. Par ailleurs, la découverte, sur des zones de fracture actives des dorsales Est Pacifique et Juan de Fuca, de précurseurs sismiques nous a incités à en rechercher sur nos données. Un précurseur sismique est défini comme un événement se produisant dans un rayon de 100 km autour d'un événement majeur, quelques heures à quelques jours avant celui-ci. L'analyse d'une sélection d'évènements détectés par le réseau permanent du traité international de non-prolifération nucléaire (OTICE), dont la localisation est très précise, n'a pas permis de reconnaître de tels précurseurs. En revanche, notre réseau temporaire détecte de nombreux évènements qui pourraient y être assimilés, si leur localisation, basée sur seulement 3 hydrophones, pouvait être améliorée. La combinaison des données de ces 2 réseaux serait nécessaire pour progresser sur ces deux questions. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à la modélisation de la déformation de la plaque Indo-Australienne, afin notamment de préciser le rôle de structures préexistantes, reliefs ou zones de fracture fossiles remobilisées, comme en atteste la sismicité. Pour aborder cette question, nous avons testé deux outils " ADELI " (Hassani et al., 1997) et " SHELLS " (Bird, 1989; Bird et Kong, 1994; Kong et Bird, 1995; Bird, 1999). Le second code numérique s'est avéré le plus adapté. Ce modèle décompose les plaques en éléments finis triangulaires sur la sphère, tient compte de l'âge de la lithosphère considérée, et peut prendre en compte des zones de faiblesse (zones de fracture) et des reliefs. A partir de conditions aux limites en vitesse et d'hypothèses sur la rhéologie de la lithosphère, le modèle calcule l'état des contraintes et des déformations de la plaque considérée. La plaque Indo-Australienne présentant des zones déformées disjointes, nous avons d'abord modélisé chacune d'elles séparément : la zone en extension, entre les plaques Inde et Capricorne est découpée par un réseau de zones de fracture oblique par rapport à l'orientation générale Nord-Sud de la dorsale Centrale Indienne et comprend le relief des Chagos ; la zone en extension entre les plaques Capricorne et Australie est découpée par un réseau de zones de fracture perpendiculaires à l'orientation générale Ouest-Nord-Ouest Est-Sud-Est de la dorsale Sud-Est Indienne et comprend le plateau océanique de Saint-Paul et Amsterdam ; enfin, la zone en compression entre les plaques Inde, Capricorne et Australie, est caractérisée par une lithosphère ancienne découpées par des zones de fracture Nord-Sud dans les bassins de Wharton et Indien Central et la ride du 90ème Est. Les conditions aux limites de ces modèles sont issues d'une approche cinématique de plaque rigide. Pour intégrer les limites de plaques diffuses sur les bords des maillages, nous avons utilisé la notion de bord libre, cela nous a permis de reproduire les déformations dans ces trois régions sans imposer de limites particulières entre les plaques. Enfin, nous avons réuni les trois maillages afin de modéliser la plaque Indo-Australienne dans son ensemble. Les modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance des structures préexistantes comme le banc des Chagos qui concentre la déformation au niveau de la limite diffuse entre les plaques Inde et Capricorne où des séismes de magnitude 8 se sont produits. Les zones de fracture jouent par leur réactivation un rôle essentiel, notamment à l'Est de la ride du 90ème Est, où elles provoquent des comportements différents entre le bassin Indien Central où la déformation est marquée essentiellement par de la compression dans une direction Nord-Sud et le bassin de Wharton, où du décrochement sénestre se manifeste en plus de la compression. Nos modèles prédisent des taux d'extension et de raccourcissement proches d'études précédentes avec un éloignement de l'Inde par rapport à la plaque Capricorne d'environ 2 mm/an dans une direction Nord-Sud, et un raccourcissement de l'ordre de 11,5 mm/an entre l'Australie et l'Inde dans une direction Nord-Ouest Sud-Est. Au premier ordre, le concept de plaque composite semble valide pour la plaque Indo-Australienne, cependant la répartition des zones diffuses s'avère plus complexe que prévue.

Nearly 60 % of the Earth surface is composed by basaltic rocks which form the upper part of the oceanic crust. These PhD works focus on the elastic properties of basalt at several spatial scales : field scale, sample scale and porosity microstructure scale. With its active hydrothermalism Iceland appears as the ideal natural laboratory to study the interactions existing between basalts, fluids and fracturing at a large scale. We first begin by the study of a paleosite of hydrothermal fluid flow which took place in a basaltic pile. Some evidence of hydrofracturing are identified. We also investigate the porosity of the different materials associated to the hot fluid flow. The second part of the field study is based on microseismicity surveys on the Reykjanes Peninsula which is an active area in Iceland. The most important results is those deduced from inverting the tomography data obtained by C. Dorbath in 2005. By applying an effective medium theory to seismic velocities we have attempted to estimate the crack density and aspect ratio of the Icelandic crust at this place. We have show that areas characterized by a strong P-waves velocities anomaly were characterized by high crack density and low aspect ratio at 6 km depth. We have also investigated the effect of the fluid compressibility on the crack parameters with depth. The sample scale is investigated through two studies. The first one is the investigation of three different modes of deformation in an Icelandic basalt by using laboratory seismological tools (elastic waves and acoustic emissions) and scan imaging. first of all we show that at low effective pressure (5 MPa) an axial loading induces a shear failure in the basalt with a classical angle of about 45°. On the contrary at higher effective pressures (75 MPa and more) an increasing of the axial stress induces a localization of the deformation in the centre part of the sample. Focal mechanisms of the acoustic emissions reveal an important part of compression events (mode I rupture) suggesting pore collapse mechanisms. Such compaction structures are usually obtained for porous rocks (20-25 %). And yet the investigated basalt has an intact total porosity of about 10 %. Then the size of the equant porosity and its ratio with grain size can be involved for explaining the pore collapses. Finally the third triaxial experiment is an induced fluid pressure failure from a high confining pressure state (80 MPa). A large shear plane failure is formed due to pore pressure increasing the local porosity of about 1 %. The second sample scale study is based on the porosity scale in order to investigate the frequency effect on elastic moduli. To obtain experimental data we performed hydrostatic experiments on an Icelandic basalt specimen under both dry and saturated conditions. This basalt is characterized by a bimodal porosity, i.e., cracks and equant pores. The elastic properties -bulk moduli in our case- were investigated under high pressure through two experimental methods : (1) a classical one using ultrasonic P- and S-waves velocities (frequency 106 Hz), (2) and a new one, using oscillation tests (frequency 102 Hz). In dry condition, experimental data show no significant difference between high (HF) and low (LF) frequency bulk moduli. However, in saturated conditions, two effects are highlighted : a physico-chemical effect emphasized by a difference between drained and dry moduli, and a squirt-flow effect evidenced by a difference between HF and LF undrained moduli. The experimental approach was completed by a theoretical study. The HF moduli are derived from a new effective medium model with an isotropic distribution of pores and cracks with idealized geometry, respectively spheres and ellipsoids. LF moduli are obtained by taking HF dry moduli from the model and substituting into Gassmann's equations. In the case of a porosity only supported by equant pores, the calculated dispersion in elastic moduli is equal to zero. In the case of a crack porosity, no bulk dispersion is predicted but a shear dispersion appears. Finally in the general case of a mixed porosity (pores and cracks), dispersion in bulk and in shear is predicted. Our results show that the maximum dispersion is predicted for a mixture of spheroidal pores and cracks with a very small aspect ratio (

Choosing the appropriate parameter prior distributions associated to a given Bayesian model is a challenging problem. Conjugate priors can be selected for simplicity motivations. However, conjugate priors can be too restrictive to accurately model the available prior information. This paper studies a new generative supervised classifier which assumes that the parameter prior distributions conditioned on each class are mixtures of Dirichlet processes. The motivations for using mixtures of Dirichlet processes is their known ability to model accurately a large class of probability distributions. A Monte Carlo method allowing one to sample according to the resulting class-conditional posterior distributions is then studied. The parameters appearing in the class-conditional densities can then be estimated using these generated samples (following Bayesian learning). The proposed supervised classifier is applied to the classification of altimetric waveforms backscattered from different surfaces (oceans, ices, forests, and deserts). This classification is a first step before developing tools allowing for the extraction of useful geophysical information from altimetric waveforms backscattered from nonoceanic surfaces.

How did ancient societies (Holocene), build their very close landscape ? Do the observedmarks lead to think about the modalities and the forms of settlement ?To think about populating, one must take into consideration the notion of territory.This study is based on geomorphology and applied geophysics with an approach of anarchaeological settlement at local and regional scale. We have tried to establish the evolutionof the interaction between these societies, their environments and what have been built inprocess of time. To focus on this relationship, we chose two distinct geographical areas: thedesert of the Agriate (France, Haute-Corse, 2B) and the lower valley of the Taravo (France,Corse du Sud, 2A). These two areas represent a different geographical context. The first oneis characterised by a mineral/rocky and hilly landscape that presents at first sight a few agropastoralpotential ; the second one, on the other side, shows much vegetal, animal and rawmaterial potential. A methodology of study has been put in place and was enable to fit to thefeatures of the land. The technics used were electrics and electromagnetics methods withmechanical boreholes and geological observations which brought us the following results.For the oriental side of the desert of the Agriate :• the repetition of periods of erosion and then stabilization of soils, related to charcoalflows, suggests a rhythmic evolution of the catchment area, associated with populatingphases,• the importance of the anthropization, even if it is difficult to evaluate, is still an essentialproblematic of this study.For the lower valley of the Taravo :• the cuts and the electromagnetic prospectings allow a precise visualization of the spatialdistribution of the sediment,• different morphological phases for ancient periods have been brought to light,• the pond of Caniccia shows a relation between the morphological evolution and humanoccupation,• privileged areas for archaeological research have been delimited.The prospects studies involve :• a complementary geomorphological study in the desert of the Agriate and of the Nebbiu,with a participation to archaeological excavations,• pluridisciplinary prospectings-inventories (archaeological and geomorphological) in thelower valley of the Taravo,• new mechanical boreholes in the floodplain and in the pond of Caniccia,• comparison with others valleys of Corsica,• comparison with others island of the Mediterranean Sea.; Dans quelle mesure les sociétés anciennes (Holocène), ont-elles façonné leur paysageimmédiat ? Les traces observées peuvent-elles permettre de réfléchir sur les modalités et lesformes du peuplement ?Raisonner sur le peuplement, c’est avant tout prendre en compte la notion de territoire.Cette étude est basée sur une approche géomorphologique et géophysique de sitesarchéologiques à l’échelle locale et à l’échelle régionale. Nous avons essayé de retracerl’évolution des interactions que les sociétés et leurs milieux de vie ont tissées au cours dutemps. Afin de mettre en évidence ces relations, nous avons choisi deux zonesgéographiques : le désert des Agriate (France, Haute-Corse, 2B) et la basse vallée du Taravo(France, Corse du Sud, 2A). Ces deux zones représentent des contextes géographiques etgéologiques différents : le premier est caractérisé par un paysage minéral vallonné quiprésente au premier abord peu de potentialités agro-pastorales ; le second, en revanche,présente de nombreuses ressources végétales, animales et en matières premières. Uneméthodologie d’étude à été mise en place et a permis de coller au plus près à la diversité duterrain. Les techniques mises en oeuvre utilisent les méthodes électriques etélectromagnétiques couplées à des sondages mécaniques et des observations géologiques quinous ont apporté les résultats suivants :Pour la partie orientale du désert des Agriate :• la répétition des périodes d'érosion puis de stabilisation des sols, en relation avec des fluxcharbonneux, suggère une rythmicité de l'évolution des versants, associée aux phasesde peuplement,• le poids de l'anthropisation, s'il est difficile à mesurer, reste une problématique importantede cette étude.Pour la basse vallée du Taravo :• les coupes et les prospections électromagnétiques permettent une visualisation précise dela répartition spatiale des sédiments,• des phases morphologiques différentes pour les périodes anciennes ont été mises enévidence,• l’étang de Caniccia montre une corrélation entre évolution morphologique et occupationhumaine,• des zones privilégiées pour les recherches archéologiques ont été définies.Les perspectives d’étude concernent :• un complément d’étude géomorphologique dans la région des Agriate et du Nebbiu, par laparticipation à de futures fouilles archéologiques,• des prospections-inventaires pluridisciplinaires (archéologique et géomorphologique) surla basse vallée du Taravo,• la réalisation de nouveaux sondages sur la plaine alluviale et l’étang de Caniccia,• la comparaison avec d’autres vallées de la Corse,• la comparaison avec d’autres îles de la Mer Méditerranée

How did ancient societies (Holocene), build their very close landscape ? Do the observedmarks lead to think about the modalities and the forms of settlement ?To think about populating, one must take into consideration the notion of territory.This study is based on geomorphology and applied geophysics with an approach of anarchaeological settlement at local and regional scale. We have tried to establish the evolutionof the interaction between these societies, their environments and what have been built inprocess of time. To focus on this relationship, we chose two distinct geographical areas: thedesert of the Agriate (France, Haute-Corse, 2B) and the lower valley of the Taravo (France,Corse du Sud, 2A). These two areas represent a different geographical context. The first oneis characterised by a mineral/rocky and hilly landscape that presents at first sight a few agropastoralpotential ; the second one, on the other side, shows much vegetal, animal and rawmaterial potential. A methodology of study has been put in place and was enable to fit to thefeatures of the land. The technics used were electrics and electromagnetics methods withmechanical boreholes and geological observations which brought us the following results.For the oriental side of the desert of the Agriate :• the repetition of periods of erosion and then stabilization of soils, related to charcoalflows, suggests a rhythmic evolution of the catchment area, associated with populatingphases,• the importance of the anthropization, even if it is difficult to evaluate, is still an essentialproblematic of this study.For the lower valley of the Taravo :• the cuts and the electromagnetic prospectings allow a precise visualization of the spatialdistribution of the sediment,• different morphological phases for ancient periods have been brought to light,• the pond of Caniccia shows a relation between the morphological evolution and humanoccupation,• privileged areas for archaeological research have been delimited.The prospects studies involve :• a complementary geomorphological study in the desert of the Agriate and of the Nebbiu,with a participation to archaeological excavations,• pluridisciplinary prospectings-inventories (archaeological and geomorphological) in thelower valley of the Taravo,• new mechanical boreholes in the floodplain and in the pond of Caniccia,• comparison with others valleys of Corsica,• comparison with others island of the Mediterranean Sea., Dans quelle mesure les sociétés anciennes (Holocène), ont-elles façonné leur paysageimmédiat ? Les traces observées peuvent-elles permettre de réfléchir sur les modalités et lesformes du peuplement ?Raisonner sur le peuplement, c’est avant tout prendre en compte la notion de territoire.Cette étude est basée sur une approche géomorphologique et géophysique de sitesarchéologiques à l’échelle locale et à l’échelle régionale. Nous avons essayé de retracerl’évolution des interactions que les sociétés et leurs milieux de vie ont tissées au cours dutemps. Afin de mettre en évidence ces relations, nous avons choisi deux zonesgéographiques : le désert des Agriate (France, Haute-Corse, 2B) et la basse vallée du Taravo(France, Corse du Sud, 2A). Ces deux zones représentent des contextes géographiques etgéologiques différents : le premier est caractérisé par un paysage minéral vallonné quiprésente au premier abord peu de potentialités agro-pastorales ; le second, en revanche,présente de nombreuses ressources végétales, animales et en matières premières. Uneméthodologie d’étude à été mise en place et a permis de coller au plus près à la diversité duterrain. Les techniques mises en oeuvre utilisent les méthodes électriques etélectromagnétiques couplées à des sondages mécaniques et des observations géologiques quinous ont apporté les résultats suivants :Pour la partie orientale du désert des Agriate :• la répétition des périodes d'érosion puis de stabilisation des sols, en relation avec des fluxcharbonneux, suggère une rythmicité de l'évolution des versants, associée aux phasesde peuplement,• le poids de l'anthropisation, s'il est difficile à mesurer, reste une problématique importantede cette étude.Pour la basse vallée du Taravo :• les coupes et les prospections électromagnétiques permettent une visualisation précise dela répartition spatiale des sédiments,• des phases morphologiques différentes pour les périodes anciennes ont été mises enévidence,• l’étang de Caniccia montre une corrélation entre évolution morphologique et occupationhumaine,• des zones privilégiées pour les recherches archéologiques ont été définies.Les perspectives d’étude concernent :• un complément d’étude géomorphologique dans la région des Agriate et du Nebbiu, par laparticipation à de futures fouilles archéologiques,• des prospections-inventaires pluridisciplinaires (archéologique et géomorphologique) surla basse vallée du Taravo,• la réalisation de nouveaux sondages sur la plaine alluviale et l’étang de Caniccia,• la comparaison avec d’autres vallées de la Corse,• la comparaison avec d’autres îles de la Mer Méditerranée

The fractured media are characterized by a strong heterogeneity of the velocity fieldrelated to the localization of flow in the local permeable zones of the fracture network. In thiscontext, predicting the flow or transport needs to provide enough constraints on the lithologyand the flow velocity. We bring some information for this question through threecomplementary approaches: (i) a study of the relationship between fracturing and deformationzones and flow observed in the Ploemeur’s experimental site, (ii) implementation of anumerical flowmetry model for imaging hydraugeologic properties between boreholes, and(iii) the development of a new borehole tool for horizontal velocities measurement, inpartnership with the Technical Division of INSU (Brest). A recurring issue raised in thismanuscript is in what extent the data at the local scale can provide sufficient information onthe overall behavior.The log analysis and core drilling Ploemeur’s site clearly shows that the maindeformation zones are characterized by intense deformation and by fault breccia or gougezones associated or not associated with very fractured pegmatites. Locally, the link betweendeformation zones or fracturing and flow is difficult to corelate because of the importantvariability of local properties. At the site scale, the intense fractured zone with fracturedpegmatite is corelated to important connected zone. At the regional scale, it appears that thesubvertical fracturing N110 ° and N20 ° associated with high strain zone, forms the contactbetween the Pouldu mica and Ploemeur granite, controls part of the flows.The numerical model allowed us to replicate these experiments of flowmetryinterference tests to establish the standard answers that must be observed according to thewellbore storage and hydraulic properties of fractures. The characterization of theconnectivity of the different structures connected to the wells is easily identified through theanalysis of transient flows. The main difficultie related to the inversion is due to the presenceof indirect pathsway, and deficiency of real pumping rate in each connected structures. Wealso showed that the fractures storage coefficient significantly controlled the response ofvertical flow. Finally, we show how disconnected structures from the pumping well caninfluence the hydrogeological response. This work is illustrated by an field application.For the characterization of in situ velocities in fractured media, we have participatedin the development of a new sensor (PIVEF) able to measure the velocity by particle tracking.This probe was calibrated and validated in the laboratory. With its large viewing window, wecan characterize the velocity accurately. We can observe the velocity field in situ on a widerange (1.10-5 to 1.10-2 m/s). This velocity accuraty is allowed for both homogeneous and infractured media, provided that the fracture dips is not too important. The velocitymeasurement can be done constinuously over the entire height of the measurement area. Weobserved in fractured media the precense of recirculation loops. This recirculation loopscreating disturbances in the water column. Despite these inherent difficulties in this kind ofmeasurement, a field application showed the full potential of the tool, Les milieux fracturés se caractérisent par une forte hétérogénéité du champ de vitesseliée à la localisation des flux dans les zones les plus perméables du réseau de fractures. Dansun tel contexte, prédire les écoulements ou test le transport nécessite d’apporter descontraintes assez fines sur le milieu et sur les flux. Nous avons abordé cette question à traverstrois approches complémentaires : (i) une étude des liens entre fracturation, zones dedéformation, et écoulements observés sur le site expérimental de Ploemeur ; (ii) la réalisationd’un modèle numérique de débitmétrie destiné à imager les propriétés hydrauliques entreforages ; et (iii) le développement d’une nouvelle sonde permettant la mesure des vitessesd’écoulement horizontales en partenariat avec la division technique de l’INSU (Brest).L’analyse des diagraphies et des carottes de forage du site de Ploemeur a clairementmis en évidence que les principales zones de déformation se caractérisaient par unedéformation intense, par des brèches de faille ou bien par des zones broyées, associées ou nonà des pegmatites très fracturées. À l’échelle locale, la corrélation entre zones de déformationou de fracturation et zones d’écoulements fut difficile à faire tant la variabilité locale despropriétés était importante. Cependant, à l’échelle du site, les zones broyées profondes sousles pegmatites fracturées semblaient très transmissives. A l’échelle régionale, les fracturationssubverticales N110° et N20° couplées à la zone de déformation intense que constitue lecontact entre les micaschistes du Pouldu et le granite de Ploemeur, contrôlaient une partie desécoulements$!Le modèle numérique nous a permis de reproduire les expériences de testsd’interférences de débitmétrie pour établir les réponses types que l’on doit observer enfonction de l’emmagasinement du forage et des propriétés hydrauliques des fractures. Lacaractérisation de la connectivité des différentes structures connectées aux puits est facilementidentifiable à travers l’analyse des flux transitoires. Une des difficultés liées à l’inversionprovient de la présence de cheminements indirects et de la méconnaissance du débit effectifpompé dans les structures connectées. Nous avons aussi montré que le coefficientd’emmagasinement des fractures contrôlait significativement la réponse des flux verticaux.Enfin, nous avons mis en évidence la façon dont les structures déconnectées du puits depompage pouvaient influencer la réponse hydrologique. Ces travaux ont été illustrés par uneapplication de terrain.Dans le cadre de la caractérisation des vitesses in situ en milieu fracturé, nous avonsparticipé au développement d’une nouvelle sonde (PIVEF) permettant la mesure de vitessepar suivi de particules. Cette sonde a été calibrée et validée au sein du laboratoire. Grâce à salarge fenêtre d’observation, nous pouvons caractériser de façon pertinente les vitessesd’écoulement du fluide. Nous pouvons observer des vitesses in situ sur une gamme large(1.10-5 à 1.10-2 m/s) aussi bien en milieu homogène que dans des milieux fracturés, àcondition que les pendages ne soient pas trop importants. La mesure de vitesse peut se fairede manière continue sur toute la hauteur de la zone de mesure. Nous avons observé dans lesmilieux hétérogènes la présence de boucles de recirculation créant des perturbations dans lacolonne d’eau. Malgré les difficultés inhérentes à ce genre de mesure, une application sur leterrain a permis de montrer toutes les potentialités de l’outil.

This work aims to understand the relationships between, on the one hand, structural and lithological heterogeneities within a clayey landslide and, on the other hand, the observed differences in displacement velocities and water drainage down to shear surfaces. The study site is the Avignonet landslide (Trièves area, French Alps) made of quaternary glaciolacustrine clays. This landslide encompasses a surface of about 1.5 km² and is located in the immediate vicinity of the Harmalière landslide, which evolved into a mudflow in 1981. Several slip surfaces are known at different depths (5, 10-15 and 40-50 m). Within these saturated levels (except for the superficial fringe), mean displacement rates can reach 0.15\,m/year. Geodetic data collected since the 60s shows that, even if located in similar geological and meteorological contexts, the two slides exhibit different kinematics. The combination of geophysical (ambient noise, resistivity and seismic tomographies, well logging), geotechnical (drillings, lab tests, sample analysis), geodetic and meteorological tools allow the identification of the main controlling factors, the effects of which vary as a function of the spatial scale. At a regional scale, the paleomorphological setting controls landslide kinematics. At the landslide scale, lithological heterogeneities allow pore pressure regulation and, consequently, variable kinematics. At the scale of an intensely deformed zone, fissures serve as preferential infiltration paths and allow water drainage down to the perched water table and shear surfaces down to 10 m depth., Ce travail vise à comprendre les relations qui existent entre, d'une part, les hétérogénéités lithologiques et structurales au sein d'un glissement argileux et, d'autre part, l'alimentation en eau des surfaces de glissement. Le site d'étude est le glissement d'Avignonet (Trièves, Alpes françaises), constitué d'argiles glaciolacustres würmiennes. Ce glissement, d'une surface d'environ 1.5 km², est situé à proximité immédiate de celui d'Harmalière qui a évolué en coulée boueuse en 1981. Plusieurs surfaces de glissement sont connues à des profondeurs variables (5, 10-15 et 40-50 m). Dans ces terrains saturés (en dehors de la frange superficielle), les vitesses moyennes de déplacement peuvent atteindre 0.15 m/an. Les observations géodésiques indiquent que, bien que situés dans des contextes géologique et météorologique identiques, les deux glissements ont des cinétiques différentes depuis les années 60 au moins. A l'aide d'outils géophysiques (bruit de fond, tomographies sismiques et électriques, diagraphies) couplés à des données géotechniques (forages, essais de laboratoire, analyses d'échantillons), géodésiques et météorologiques, il est possible de mettre en évidence une activité variable à différentes échelles au sein du glissement. À l'échelle régionale, le contexte morphologique conditionne la cinématique du mouvement de terrain. Les hétérogénéités lithologiques, au sein de la séquence argileuse, induisent un comportement hydrogéologique variable et, conséquemment, une cinétique différentielle en surface. Finalement, les hétérogénéités structurales, telles que les fissures dans une zone intensément déformée, servent de chemin d'infiltration préférentielle et permettent d'apporter rapidement de l'eau jusqu'à la nappe superficielle et aux surfaces de glissement à 10 m de profondeur.

La présentation porte sur les deux principaux domaines de recherche dans lequel je me suis investi, depuis 2003, au BRGM, celui du développement de la prospection par Résonance Magnétique Protonique (RMP), et l'utilisation des méthodes Electro-Magnétique à Source Contrôlée (CSEM). Une brève introduction rappellera le principe de la mesure RMP. La première partie, présentera les travaux réalisés pour raffiner les modèles utilisés, pour prendre en compte la variation du signal liée aux conditions de mesures (champ géomagnétique, topographie) et à l'environnement géologique (zone non-saturée dans la craie, forte conductivité sur le bord de la mer Morte). Afin d'appréhender la nature 2D/3D des objets étudiés, j'ai développé un modèle 3D de la réponse RMP et mis au point une approche permettant d'évaluer la position et le volume de cavités remplies d'eau (imagerie d'un conduit karstique près de Rocamadour et cartographie de la dissolution d'une couche de sel générant des effondrements « sinkholes »). Enfin j'ai développé un programme d'inversion qui permet de réaliser une tomographie en 2D/3D de la teneur en eau et des temps de relaxation (illustrée dans le cas d'un aquifère sédimentaire interrompu par un système de failles). La deuxième partie concernera la mesure de la résistivité électrique par de grands dispositifs appliquée à l'imagerie d'aquifères complexes (biseaux salés et milieu volcanique) et la mise au point d'un dispositif CSEM dédié au suivi temporel de la résistivité dans un aquifère. L'originalité réside dans l'utilisation du tubage métallique des forages pour injecter le courant électrique en profondeur et permettant par la mesure en surface du champ électrique et magnétique, de mesurer les variations de résistivité au sein d'un réservoir profond. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du suivi de l'injection de CO2 (résistant) dans des réservoirs salins. La performance du dispositif sera illustrée par une étude numérique et sa mise en œuvre sur le site pilote de Ketzin en Allemagne. Je conclurai cet exposé par un aperçu des orientations vers lesquelles je propose de faire porter l'effort de recherche dans ces deux domaines, aujourd'hui en pleine évolution.

La présentation porte sur les deux principaux domaines de recherche dans lequel je me suis investi, depuis 2003, au BRGM, celui du développement de la prospection par Résonance Magnétique Protonique (RMP), et l'utilisation des méthodes Electro-Magnétique à Source Contrôlée (CSEM). Une brève introduction rappellera le principe de la mesure RMP. La première partie, présentera les travaux réalisés pour raffiner les modèles utilisés, pour prendre en compte la variation du signal liée aux conditions de mesures (champ géomagnétique, topographie) et à l'environnement géologique (zone non-saturée dans la craie, forte conductivité sur le bord de la mer Morte). Afin d'appréhender la nature 2D/3D des objets étudiés, j'ai développé un modèle 3D de la réponse RMP et mis au point une approche permettant d'évaluer la position et le volume de cavités remplies d'eau (imagerie d'un conduit karstique près de Rocamadour et cartographie de la dissolution d'une couche de sel générant des effondrements « sinkholes »). Enfin j'ai développé un programme d'inversion qui permet de réaliser une tomographie en 2D/3D de la teneur en eau et des temps de relaxation (illustrée dans le cas d'un aquifère sédimentaire interrompu par un système de failles). La deuxième partie concernera la mesure de la résistivité électrique par de grands dispositifs appliquée à l'imagerie d'aquifères complexes (biseaux salés et milieu volcanique) et la mise au point d'un dispositif CSEM dédié au suivi temporel de la résistivité dans un aquifère. L'originalité réside dans l'utilisation du tubage métallique des forages pour injecter le courant électrique en profondeur et permettant par la mesure en surface du champ électrique et magnétique, de mesurer les variations de résistivité au sein d'un réservoir profond. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du suivi de l'injection de CO2 (résistant) dans des réservoirs salins. La performance du dispositif sera illustrée par une étude numérique et sa mise en œuvre sur le site pilote de Ketzin en Allemagne. Je conclurai cet exposé par un aperçu des orientations vers lesquelles je propose de faire porter l'effort de recherche dans ces deux domaines, aujourd'hui en pleine évolution.

Tout commence en 1955. Claude Lorius, alors fraîchement diplômé d’études supérieures de physique, répond à une petite annonce : « Recherche jeunes chercheurs pour participer aux campagnes organisées pour l’Année géophysique internationale (AGI) ». Cinquante ans plus tard, après avoir sillonné le monde des glaces et passé près de 6 ans en Antarctique, il a troqué sa polaire contre l’habit vert… In 1955, Claude Lorius, graduated in physics, joined the International Geophysics Year Committee. Fifty years later, he tells us all his experience and feelings.

This deliverable D3.2 (Site preparation) is linked to the first task (3.1) of DIGISOIL’s WP3 (Implementation, field testing and validation on selected test sites). The objectives are here to report all the experiments that have been conducted on real test sites to evaluate the proposed methodology. Test sites are identified as Luxembourg (LU), Mugello (IT) and Zala (HU). For each geophysical method, the experimental conditions, data acquisitions, validation points and produced maps are presented. The optimal combination of petrophysical parameters are used to describe the aforementioned soil properties. The inference functions and fusion techniques developed in WP 2 are applied to the field conditions of the different test sites. Where possible geo-referenced data sets and maps were used for calibration and validation of the geophysical techniques. In some cases, additional analyses can be required to fill the gaps in the datasets and cover the selected dynamic soil properties. The experimental conditions, the results and the costs of the experiments and measurements for each geophysical method (Hyperspectral, GPR, EMI, Geoelectric, Seismic), in terms of man-day, are reported. After a general introduction that indicates the specific content of this deliverable in relationship with the deliverables of WP2 and other deliverables of WP3, each experiment is described in detail. The plan is organized by experimentations but several geophysical methods may have been run at the same site.

This deliverable concerns the third task of the DIGISOIL’s WP2 “Inference of soil properties.” The objective of the D2.2 is to detail the general processing workflow as suggested in the deliverable D2.1 in view of estimating the relevant soil variables as bulk density, clay content, water content and carbon content from geophysical dataset comforted by auxiliary data. The inference approach is based on data fusion strategies and gathers three main steps, (1) the joint inversion of raw geophysical dataset, (2) the conversion of the geophysical parameters into soil variables and (3) the fusion of maps obtained for each soil variable at the field scale. First, in Introduction, the content of this deliverable is replaced into the general framework of workpackages components. Then, the three main steps are described following the chronological order of the general processing workflow. This last one will be summarized in a synthetic scheme in conclusion.

This deliverable is linked to the second task (2.2) of DIGISOIL's WP2 "Laboratory or field calibration in controlled conditions". The objective here are to report all the experiments that have been conducted under controlled conditions, either in the laboratory, or in the field, both at the calibrating sites Beauce (France), Roujan (France) or Telega (Romania), or in any other field site that has been thought to conditions, the experimental results and the costs of the experiments in terms of man-day are reported. After a general introduction that indicates the specific content of this deliverable in relationship with the deliverables of WP1 and other deliverables of WP2, each experiment is described in detail. The plan is organized by geophysical tool but several geophysical methods may have been run at the same site. The reader is suggested to refer to Table 9 for synthesis.

Nearly 60 % of the Earth surface is composed by basaltic rocks which form the upper part of the oceanic crust. These PhD works focus on the elastic properties of basalt at several spatial scales : field scale, sample scale and porosity microstructure scale. With its active hydrothermalism Iceland appears as the ideal natural laboratory to study the interactions existing between basalts, fluids and fracturing at a large scale. We first begin by the study of a paleosite of hydrothermal fluid flow which took place in a basaltic pile. Some evidence of hydrofracturing are identified. We also investigate the porosity of the different materials associated to the hot fluid flow. The second part of the field study is based on microseismicity surveys on the Reykjanes Peninsula which is an active area in Iceland. The most important results is those deduced from inverting the tomography data obtained by C. Dorbath in 2005. By applying an effective medium theory to seismic velocities we have attempted to estimate the crack density and aspect ratio of the Icelandic crust at this place. We have show that areas characterized by a strong P-waves velocities anomaly were characterized by high crack density and low aspect ratio at 6 km depth. We have also investigated the effect of the fluid compressibility on the crack parameters with depth. The sample scale is investigated through two studies. The first one is the investigation of three different modes of deformation in an Icelandic basalt by using laboratory seismological tools (elastic waves and acoustic emissions) and scan imaging. first of all we show that at low effective pressure (5 MPa) an axial loading induces a shear failure in the basalt with a classical angle of about 45°. On the contrary at higher effective pressures (75 MPa and more) an increasing of the axial stress induces a localization of the deformation in the centre part of the sample. Focal mechanisms of the acoustic emissions reveal an important part of compression events (mode I rupture) suggesting pore collapse mechanisms. Such compaction structures are usually obtained for porous rocks (20-25 %). And yet the investigated basalt has an intact total porosity of about 10 %. Then the size of the equant porosity and its ratio with grain size can be involved for explaining the pore collapses. Finally the third triaxial experiment is an induced fluid pressure failure from a high confining pressure state (80 MPa). A large shear plane failure is formed due to pore pressure increasing the local porosity of about 1 %. The second sample scale study is based on the porosity scale in order to investigate the frequency effect on elastic moduli. To obtain experimental data we performed hydrostatic experiments on an Icelandic basalt specimen under both dry and saturated conditions. This basalt is characterized by a bimodal porosity, i.e., cracks and equant pores. The elastic properties -bulk moduli in our case- were investigated under high pressure through two experimental methods : (1) a classical one using ultrasonic P- and S-waves velocities (frequency 106 Hz), (2) and a new one, using oscillation tests (frequency 102 Hz). In dry condition, experimental data show no significant difference between high (HF) and low (LF) frequency bulk moduli. However, in saturated conditions, two effects are highlighted : a physico-chemical effect emphasized by a difference between drained and dry moduli, and a squirt-flow effect evidenced by a difference between HF and LF undrained moduli. The experimental approach was completed by a theoretical study. The HF moduli are derived from a new effective medium model with an isotropic distribution of pores and cracks with idealized geometry, respectively spheres and ellipsoids. LF moduli are obtained by taking HF dry moduli from the model and substituting into Gassmann's equations. In the case of a porosity only supported by equant pores, the calculated dispersion in elastic moduli is equal to zero. In the case of a crack porosity, no bulk dispersion is predicted but a shear dispersion appears. Finally in the general case of a mixed porosity (pores and cracks), dispersion in bulk and in shear is predicted. Our results show that the maximum dispersion is predicted for a mixture of spheroidal pores and cracks with a very small aspect ratio (, Les roches basaltiques constituent près de 60 % de la surface terrestre formant en particulier la couche supérieure de la croûte océanique. Afin de mieux appréhender la capacité de rétention en fluides des basaltes, une meilleure connaissance de leurs propriétés mécaniques et élastiques est indispensable. Au cours de ce travail nous avons choisi d'étudier ces propriétés à trois échelles spatiales distinctes. L'approche grande échelle porte sur la caractérisation du lien entre basalte, fluides et fracturation en Islande. Cette île, née de l'accrétion océanique et d'une anomalie mantellique chaude, constitue, avec son hydrothermalisme intense, un laboratoire naturel idéal. Une étude géologique d'un ancien site de circulation de fluides chauds dans un encaissant basaltique a été réalisée permettant de mettre en évidence certaines caractéristiques intéressantes :modification des paramètres hydrodynamiques à proximité des zones de circulation, altération hydrothermale puissante et figures de fracturation hydraulique. Par ailleurs, l'approche grande échelle s'appuie sur l'étude de la microsismicité actuelle au niveau de la péninsule de Reykjanes, zone particulièrement active de l'île. A partir des données de tomographie acquises en 2005 et en utilisant un modèle de milieu effectif adéquat, nous avons réinterprété les anomalies de vitesse en terme de paramètres de fissuration de la croûte islandaise à cet endroit. Les résultats d'inversion montrent une diminution de la densité de fissure avec la profondeur excepté au niveau d'une zone localisée interprétée comme un réservoir de fluide supercritique. Les propriétés élastiques du basalte ont également été étudiées à l'échelle de l'échantillon grâce à des expériences en presse triaxiale. Le dispositif utilisé est celui de la presse ST100 du laboratoire de géologie de l'ENS spécialement conçue pour l'écoute des émissions acoustiques (EA) qui sont les analogues expérimentaux des séismes. Trois séries d'expériences avec augmentation de la contrainte axiale ont été menées sur un basalte de Reykjanes : (1) à bas confinement, 5 MPa de pression effective, (2) à haut confinement, 75 et 95 MPa de pression effective et (3) à haut confinement avec augmentation de la pression de pore. Les mesures de déformation, la localisation des EA, leur mécanisme et l'imagerie scanner des échantillons déformés ont montré différents modes de déformation du basalte. Pour les séries (1) et (3) la rupture se localise macroscopiquement par un plan de cisaillement oblique. Dans le cas (2) la déformation se localise dans la partie centrale de l'échantillon sous forme de bandes associant compaction (collapse de pores sphériques) et cisaillement (glissement inter-grains). Enfin, nous nous sommes intéressés aux propriétés élastiques du basalte à l'échelle microscopique en étudiant la dispersion des modules élastiques avec la fréquence. En effet, il est généralement connu que dans un milieu saturé en fluide, les modules basse fréquence (BF) sont plus faibles que les modules haute fréquence (HF), une partie de l'énergie des ondes élastiques se retrouvant dissipée par des mécanismes d'écoulement de fluides à différentes échelles. au cours de ce travail, nous n'avons considéré que le mécanisme dispersif du squirt-flow (écoulement local entre inclusions). Nous avons pour cela utilisé une approche couplant théorie et expérimentation. A l'aide d'un modèle de milieu effectif et des équations de Biot-Gassmann, les dispersions théoriques des modules d'incompressibilité K et de cisaillement G ont été calculées en fonction de la microstructure de porosité. On a montré que la dispersion est maximale quand le milieu est composé de pores sphériques et de fissures aplaties (facteur de forme < 5.10-3). Un nouveau protocole expérimental en presse a été développé au cours de cette thèse permettant d'acquérir des données de dispersion de K avec la fréquence. Les résultats expérimentaux sont venus confirmer les prédictions théoriques. Un effet de squirt-flow a ainsi été mis en évidence dans le basalte tant que les fissures restent ouvertes.

The French ECORS program was launched in 1981, with the aim of studying the Earth crust, using the same equipments, after adapting the parameters, as those currently used in the petroleum research. At the same time similar programs were carried out in the United States (COCORP), Germany (DEKORP), United Kingdom (BIRPS), Italy (CROP), as well as in other countries. ECORS was a joint venture between IFP, INSU-IPGP and Elf Aquitaine, and IFREMER for offshore operations. Four onshore profiles were carried out in France, as also methodological experiments (refraction, wide-angle reflection and 3D implementation). First of all, the North France profile, from Cambrai (Nord) to Dreux (Eure-et-Loir) is 220 km long. It was carried out by vibroseis during the winter of 1983-1984. It was extended southwestwards until the Spanish coast: first from Dreux to La Rochelle by IPGP using explosive shots, and then by IFREMER from Noirmoutier to the Spanish coast. Thus, it shows a continuous image of the Earth crust. The Pyrenean profile (1985-1986) was performed with explosive shots, in collaboration with the Spanish company REPSOL. It crossed the mountain range from the Ebro valley to the Garonne valley, across the North Pyrenean fault. The Alpine profile (1986-1987) was carried out in collaboration with the Italian CROP program. It crossed the Alpine range from Torino to Val-d'Isère, then turning northwestwards, across the Jura and the Bresse, to reach the first limits of the Central Massif west of Tournus, after 357 km. Based on seismic and confirmed by magnetotelluric method, it showed an image of the collision zone. The Rhine Graben profile (1988) was made in collaboration with the German DEKORP program. It started from the Black Forest, across the Vosges, before ending at Morhange (Moselle), after 140 km. It duplicates another profile carried out more to the North by DEKORP. Both profiles show that the Rhine Graben is actually a half-graben, the structure of which is inverted between them since in France, the fault is on the western side, instead of being on the eastern side in Germany., Le programme ECORS a été créé en France en 1981 pour étudier la croûte terrestre en mettant en oeuvre les mêmes matériels, après adaptation de leurs paramètres, que ceux couramment utilisés pour la recherche des hydrocarbures. À la même époque, des programmes similaires ont vu le jour aux USA (COCORP), en Allemagne (DEKORP), en Grande-Bretagne (BIRPS), en Italie (CROP) et dans bien d'autres pays. ECORS est une association entre l'IFP, l'INSU-IPGP et Elf Aquitaine avec IFREMER pour les opérations à la mer. En France, quatre grands profils terrestres ont été effectués en plus d'expérimentations de méthodes (réfraction, grand angle) et de mises en oeuvre (3 D). Le premier, le profil Nord de la France, de Cambrai à Dreux sur 220 km, a été fait dans l'hiver 1983-1984 en vibrosismique. Il a été prolongé vers le sud-ouest jusqu'à la côte espagnole : de Dreux à La Rochelle, à l'explosif par l'IPGP, et par IFREMER de Noirmoutier à la côte espagnole. Il montre une image de la croûte en continu. Le profil Pyrénées (1985-1986), réalisé à l'explosif, en association avec le groupe espagnol REPSOL, traverse la chaîne de la vallée de l'Èbre à celle de la Garonne sur 250 km. Il précise l'image de la zone axiale de part et d'autre de la faille nord-pyrénéenne. Le profil Alpes (1986-1987), en association avec CROP, franchit la chaîne des Alpes à partir de Turin, passe par Val-d'Isère, d'où il chemine vers le nord-ouest, traverse le Jura, la Bresse et se termine au pied du Massif Central à l'ouest de Tournus, totalisant 357 km. Il montre une image de la zone de collision appuyée sur la sismique et confirmée par de la magnétotellurique. Le profil fossé Rhénan (1988), en association avec DEKORP, débute en Forêt Noire, traverse les Vosges et se termine à Morhange (Moselle), après 140 km. Il double un autre profil réalisé par DEKORP plus au nord. Les deux montrent que le graben est en fait un semi graben, dont la structure s'inverse entre les deux. En France, la faille est sur le flanc ouest alors qu'elle se trouve à l'est sur le profil allemand.

International audience

With real information provided by Mexican Institution, we begin this research. The objective is to measure the indexes of reliability of reinforced concrete buildings subjected to real seismic forces with near epicenter, erected on hard soil. There is a need to assess the uncertainty affecting the buildings in the State of Guerrero, since geophysical researches estimate a GAP of area of 220x90 2 km , which will generate an earthquake of Magnitude Mw=8.4. We expect that the predominant period has a range of 0.034 to 0.36 sec [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. We achieved this, with the interpretation of 3600 real earthquake from a database of SMIS, selected by their great magnitude and near epicenter. Where the ordinate of the response spectrum of the ground should be superior than the design spectra, thereby considering the buildings that are at greatest risk of damage or collapse. Three proposals for buildings with different resistance emerge, that are: 1. To calculate according to the properties of the materials in the State of Guerrero. 2. To calculate with the properties of the region central of the country [RCDF], as currently done and. 3. To estimate a degradation of resistance of the buildings for the earthquakes suffered in the past. The capacity of lateral resistance of the buildings is considered with two analysis types, that are: 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], which measures the level of ductility that develops the building, knowing with this, the yield point and the ultimate capacity of each building. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], in which the resistance of the building is evaluated in the time-history, with real seismic events scaled to know the duration in which the value of the state limit of the building has been exceeded. We observed that the indexes of reliability in the buildings subject to seismic forces with near epicenter are highly dependent on the conditions of ground and the magnitude of the earthquake. The effects of site changes significantly, when the magnitude of the seismic event increases, that make vary the building reliability indexes. These variations show the great importance and attention that should be devoted to properties of the materials in the State of Guerrero, because they influence significantly the fundamental period of the buildings, Con información real proporcionada por instituciones mexicanas iniciamos este trabajo de investigación. El objetivo es medir los índices de confiabilidad de los edificios de concreto reforzado sometidos a fuerzas sísmicas reales con epicentro cercano, construidos sobre un suelo rígido. Existe una necesidad de valorar la certidumbre en los edificios del estado de Guerrero, debido investigaciones de geofísica que estiman un GAP de área de 220x90 2km que generaría un evento sísmico de magnitud Mw=8.4. Determinamos que el periodo predominante tiene un intervalo de 0.034 a 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Logramos esto, con la interpretación de 3600 sismos reales de una base de datos de la SMIS, seleccionados por su gran magnitud y epicentro cercano. Donde la ordenada del espectro de respuesta del suelo debe ser mayor a la del espectro de diseño, con ello considerar a los edificios que se encuentren con mayor riesgo de daño o colapso. Tres propuestas de edificios de diferentes resistencias surgen, que son: 1. Calcular con las propiedades de los materiales del estado de Guerrero. 2. Calcular con las propiedades de la región centro del país [RCDF], como se hace actualmente y, 3. Estimar una degradación de resistencia de los edificios por los sismos sufridos en el pasado. La capacidad de resistencia lateral del edificio se estima con dos tipos análisis, estos son: 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], con el cuál medimos el nivel de ductilidad que desarrolla el edificio, conociendo con esto, el punto de fluencia y el de capacidad última de cada edificio. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], se evalúa la resistencia del edificio en la historia del tiempo, con eventos sísmicos reales escalados para conocer el momento en el cuál el valor del estado límite del edificio ha sido excedido. Se observó que los índices de confiabilidad en los edificios sujetos a fuerzas sísmicas con epicentro cercano, dependen mucho de las condiciones de suelo y la magnitud del sismo. Los efectos de sitio cambian de manera considerable cuando la magnitud del evento sísmico aumenta, lo que hace variar los índices de confiabilidad de los edificios. Esta variación le da importancia a conocer las propiedades de los materiales del estado de Guerrero, porque influyen en el periodo fundamental del edificio, Cette recherche s’appuie pour certaines données, fournies par des institutions mexicaines sur des bases de donnée réelle. L’objectif est de mesurer les indices de fiabilité des bâtiments en béton armé soumis à des forces sismiques réelles avec épicentre proche, construits sur un sol rigide. Il existe une nécessité d’évaluer l’effet des incertitudes affectant les bâtiments de l’État de Guerrero, du fait que la recherche géophysique un estime GAP sismique avec une zone de 220x90 2km , qui produirait un événement sismique de magnitude Mw=8.4. Nous avons déterminé que la période prédominante de site dans un intervalle de 0.034 à 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Nous obtenons ceci, avec l’interprétation de 3600 séismes réels d’une base de données de la SMIS, sélectionnés pour leur grande magnitude et épicentre proche. Lorsque l’ordonnée du spectre de réponse du sol est plus grande que celle du spectre du code, on doit approfondir l’analyses des bâtiments qui s’y trouvent du fait du plus grand risque de dommage et effondrement. Trois propositions de bâtiments de différentes résistances apparaissent, à savoir : 1. Calculer avec les propriétés des matériels de l’Etat de Guerrero. 2. Calculer avec les propriétés de la région centre du pays [RCDF], comme l’on fait actuellement, et, 3. Estimer une dégradation de résistance des bâtiments pour les séismes observé dans le passé. La capacité de résistance latérale du bâtiment est estimée avec deux types d’analyse. Il s’agit de : 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], avec laquelle nous mesurons le niveau de ductilité que développe le bâtiment, connaissant le point de plastification et la déformation ultime de chaque bâtiment. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], pour évaluer en fonction de temps la résistance des bâtiments, soumis à des événements sismiques réels avec changement d’échelle et détermine les moments et la durée de l’état limite du bâtiment a été dépassé. On a observé que les indices de fiabilité dans les bâtiments soumis à des forces sismiques avec épicentre proche, dépendent beaucoup des conditions de sol et de la magnitude du séisme. Les effets de site changent de manière significative quand la magnitude de l’événement sismique augmente, ce qui fait varier les indices de fiabilité des bâtiments. Cette variation montre de l’importance à connaître les propriétés des matériaux de l’État de Guerrero, parce qu’ils influencent grandement sur la période fondamentale de l’édifice

With real information provided by Mexican Institution, we begin this research. The objective is to measure the indexes of reliability of reinforced concrete buildings subjected to real seismic forces with near epicenter, erected on hard soil. There is a need to assess the uncertainty affecting the buildings in the State of Guerrero, since geophysical researches estimate a GAP of area of 220x90 2 km , which will generate an earthquake of Magnitude Mw=8.4. We expect that the predominant period has a range of 0.034 to 0.36 sec [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. We achieved this, with the interpretation of 3600 real earthquake from a database of SMIS, selected by their great magnitude and near epicenter. Where the ordinate of the response spectrum of the ground should be superior than the design spectra, thereby considering the buildings that are at greatest risk of damage or collapse. Three proposals for buildings with different resistance emerge, that are: 1. To calculate according to the properties of the materials in the State of Guerrero. 2. To calculate with the properties of the region central of the country [RCDF], as currently done and. 3. To estimate a degradation of resistance of the buildings for the earthquakes suffered in the past. The capacity of lateral resistance of the buildings is considered with two analysis types, that are: 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], which measures the level of ductility that develops the building, knowing with this, the yield point and the ultimate capacity of each building. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], in which the resistance of the building is evaluated in the time-history, with real seismic events scaled to know the duration in which the value of the state limit of the building has been exceeded. We observed that the indexes of reliability in the buildings subject to seismic forces with near epicenter are highly dependent on the conditions of ground and the magnitude of the earthquake. The effects of site changes significantly, when the magnitude of the seismic event increases, that make vary the building reliability indexes. These variations show the great importance and attention that should be devoted to properties of the materials in the State of Guerrero, because they influence significantly the fundamental period of the buildings; Con información real proporcionada por instituciones mexicanas iniciamos este trabajo de investigación. El objetivo es medir los índices de confiabilidad de los edificios de concreto reforzado sometidos a fuerzas sísmicas reales con epicentro cercano, construidos sobre un suelo rígido. Existe una necesidad de valorar la certidumbre en los edificios del estado de Guerrero, debido investigaciones de geofísica que estiman un GAP de área de 220x90 2km que generaría un evento sísmico de magnitud Mw=8.4. Determinamos que el periodo predominante tiene un intervalo de 0.034 a 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Logramos esto, con la interpretación de 3600 sismos reales de una base de datos de la SMIS, seleccionados por su gran magnitud y epicentro cercano. Donde la ordenada del espectro de respuesta del suelo debe ser mayor a la del espectro de diseño, con ello considerar a los edificios que se encuentren con mayor riesgo de daño o colapso. Tres propuestas de edificios de diferentes resistencias surgen, que son: 1. Calcular con las propiedades de los materiales del estado de Guerrero. 2. Calcular con las propiedades de la región centro del país [RCDF], como se hace actualmente y, 3. Estimar una degradación de resistencia de los edificios por los sismos sufridos en el pasado. La capacidad de resistencia lateral del edificio se estima con dos tipos análisis, estos son: 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], con el cuál medimos el nivel de ductilidad que desarrolla el edificio, conociendo con esto, el punto de fluencia y el de capacidad última de cada edificio. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], se evalúa la resistencia del edificio en la historia del tiempo, con eventos sísmicos reales escalados para conocer el momento en el cuál el valor del estado límite del edificio ha sido excedido. Se observó que los índices de confiabilidad en los edificios sujetos a fuerzas sísmicas con epicentro cercano, dependen mucho de las condiciones de suelo y la magnitud del sismo. Los efectos de sitio cambian de manera considerable cuando la magnitud del evento sísmico aumenta, lo que hace variar los índices de confiabilidad de los edificios. Esta variación le da importancia a conocer las propiedades de los materiales del estado de Guerrero, porque influyen en el periodo fundamental del edificio; Cette recherche s’appuie pour certaines données, fournies par des institutions mexicaines sur des bases de donnée réelle. L’objectif est de mesurer les indices de fiabilité des bâtiments en béton armé soumis à des forces sismiques réelles avec épicentre proche, construits sur un sol rigide. Il existe une nécessité d’évaluer l’effet des incertitudes affectant les bâtiments de l’État de Guerrero, du fait que la recherche géophysique un estime GAP sismique avec une zone de 220x90 2km , qui produirait un événement sismique de magnitude Mw=8.4. Nous avons déterminé que la période prédominante de site dans un intervalle de 0.034 à 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Nous obtenons ceci, avec l’interprétation de 3600 séismes réels d’une base de données de la SMIS, sélectionnés pour leur grande magnitude et épicentre proche. Lorsque l’ordonnée du spectre de réponse du sol est plus grande que celle du spectre du code, on doit approfondir l’analyses des bâtiments qui s’y trouvent du fait du plus grand risque de dommage et effondrement. Trois propositions de bâtiments de différentes résistances apparaissent, à savoir : 1. Calculer avec les propriétés des matériels de l’Etat de Guerrero. 2. Calculer avec les propriétés de la région centre du pays [RCDF], comme l’on fait actuellement, et, 3. Estimer une dégradation de résistance des bâtiments pour les séismes observé dans le passé. La capacité de résistance latérale du bâtiment est estimée avec deux types d’analyse. Il s’agit de : 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], avec laquelle nous mesurons le niveau de ductilité que développe le bâtiment, connaissant le point de plastification et la déformation ultime de chaque bâtiment. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], pour évaluer en fonction de temps la résistance des bâtiments, soumis à des événements sismiques réels avec changement d’échelle et détermine les moments et la durée de l’état limite du bâtiment a été dépassé. On a observé que les indices de fiabilité dans les bâtiments soumis à des forces sismiques avec épicentre proche, dépendent beaucoup des conditions de sol et de la magnitude du séisme. Les effets de site changent de manière significative quand la magnitude de l’événement sismique augmente, ce qui fait varier les indices de fiabilité des bâtiments. Cette variation montre de l’importance à connaître les propriétés des matériaux de l’État de Guerrero, parce qu’ils influencent grandement sur la période fondamentale de l’édifice

Ce mémoire d'habilitation à Diriger des Recherches est rédigé à une étape de ma carrière où mes recherches commencent à s'orienter vers d'autres thématiques. J'ai commencé à travailler sur la thématique "fractures et réservoir fracturé" au début de ma thèse d'Université, en 1995, avec pour support le site européen de géothermie haute enthalpie de Soultz-Sous-Forêts. A cette date, ce projet pilote scientifique est quasiment terminé et la phase industrielle d'exploitation de la chaleur est en place. Il me paraît donc judicieux de faire coïncider la fin du projet Soultz avec un bilan de mes recherches, bientôt 10 ans après mon recrutement en tant que Maître de Conférences.Ce mémoire présentera donc plusieurs parties. Après une première partie plus administrative, je présenterai mes activités d'enseignement au sein du département géosciences de Nancy Université. Certains de ces enseignements m'ont permis d'être associée à la rédaction d'articles scientifiques. J'en présente deux dans ce document.Je présenterai ensuite un bilan de mes travaux de recherche dans le domaine de la fracturation et des réservoirs fracturés. Cette partie intégrera les principaux articles scientifiques publiés depuis ma nomination. La perméabilité de fractures est un paramètre prépondérant dans la compréhension des transferts de fluides à toute échelle. Les fractures et fissures sont des "objets" géologiques complexes. Leurs épontes ont enregistré l'histoire hydraulique, géochimique et tectonique du massif rocheux qui les contient. Leurs extensions et ouvertures peuvent être très importantes et jouent de ce fait, le rôle de drains préférentiels dans les massifs rocheux à faible perméabilité de matrice et contrôlent l'intensité et la direction des écoulements fluides, donc l'intensité et la propagation des altérations au sein des roches. La quantification des perméabilités de fractures est alors indispensable pour estimer et prévoir le comportement hydraulique de zones d'intérêt majeur telles que les sites de stockage de déchets toxiques, qu'ils soient nucléaires, industriels ou ménagers. Dans un souci plus économique, elle permet également d'estimer les capacités d'un réservoir pétrolifère ou l'activité d'un échangeur géothermique. J'ai donc eu l'occasion de travailler cette thématique sur de nombreux cas d'étude avec entre autres le site européen géothermique de Soultz-Sous-Forêts, le socle fracturé du Yémen, le laboratoire ANDRA de recherche souterrain de Meuse/Haute Marne. Cette thématique de recherche sur les fractures et réservoirs fracturés reste ma spécialité scientifique et me permet de vous présenter 11 articles scientifiques.Dans une deuxième partie, je présenterai mes perspectives de recherche au sein du laboratoire UMR G2R qui s'oriente vers la compréhension des propriétés pétrophysiques des roches, à l'échelle de l'échantillon et à l'échelle du réservoir, avec pour application principale le stockage ou la séquestration des gaz à effet de serre tels que le CO2. La connaissance de la porosité, de la perméabilité et de la géométrie des réseaux de fractures s'avère indispensable si l'on veut exploiter, stocker ou faire circuler les fluides d'intérêt dans les réservoirs. Cette thématique de recherches est en effet particulièrement développée dans notre laboratoire au travers du groupe de travail IMAGES (Innovation pour la MAîtrise des Gaz à Effet de Serre).Ces projets de recherche sont basés sur le développement d’expériences au laboratoire ainsi que sur la modélisation thermodynamique des systèmes mis en jeu et sont soutenus par les ANR Géocarbone Intégrité et Injectivité, Gaz Annexes et Proche Puits. Ces projets ont permis d’acquérir un nombre important d’équipements analytiques et expérimentaux qui me permettront de développer d'autres axes de recherche. A nouveau ces recherches que je commence à développer m'ont permis de publier 3 articles scientifiques, en collaboration avec mes collègues du G2R, que je présente également dans ce mémoire.C'est sur ces perspectives de recherche que je vous propose de lire ce mémoire d'habilitation à diriger des recherches qui me permet de m'arrêter un instant dans ma carrière pour regarder derrière moi mais également pour repartir, motivée, vers de nouveaux travaux scientifiques.

International audience; While small, fragmented wooded elements do not represent a large surface area in agricultural landscape, their role in the sustainability of ecological processes is recognized widely. Unfortunately, landscape ecology studies suffer from the lack of methods for automatic detection of these elements. We propose a hybrid approach using both aerial photographs and ancillary data of coarser resolution to automatically discriminate small wooded elements. First, a spectral and textural analysis is performed to identify all the planted-tree areas in the digital photograph. Secondly, an object-orientated spatial analysis using the two data sources and including a multi-resolution segmentation is applied to distinguish between large and small woods, copses, hedgerows and scattered trees. The results show the usefulness of the hybrid approach and the prospects for future ecological applications.

Authumes « Le Tertre » (Saone-et-Loire, Bourgogne) The most visible part of the archaeological site of Authumes (Burgundy, Eastern France) is the top of an escarpment which forms the limit separating the Bressan plateau from the floodplain of the Doubs River. The importance and interest of the site are directly connected to the presence of archaeological material abounding on the ground. Numerous varied artefacts such as ceramic, architectural tiles, cut stones, can be found in a band (approx...

The Aghajari field is located in the Dezful Embayment, one of major structural zone in Zagros fold-thrust belt containing most of Iranian oil fields. The late Oligocene-early Miocene Asmari formation is one of the main reservoir rocks of SW Iran with several decades of production history from different oil fields in the region. The objective of the present Ph-D thesis is to improve the structural understanding of the Aghajari field using 3D seismic imaging for the first time, and well seismic. the lack of seismic response of the dipping horizons in the reservoir oil zone constitutes a major identified difficulty. Given the dip values of 30° to 45° of the reflectors in the pay zone, the P-P reflections are expected to appear mainly on the horizontal components of the VSP data, justifying the processing of the 3 components (3C). An innovative method of 3C VSP orientation was developed. The 3C VSP results confirm the presence of dipping reflectors, with dip values in agreement with surface seismic, on the eastern flank of the structure. Several new approaches of seismic imaging have been applied in order to investigate and improve the reservoir illumination. The “Beyond Dix” workflow of CGGVERITAS was applied to land seismic data for the first time; this process enables to build a depth/velocity model from the dips read on the PSTM image (pre-stack time migration), and the residual move out corrections. The depth migrated image is improved in the overburden, unfortunately not at reservoir level, due to low signal to noise, interference with multiples, thus poor dip and velocity determination in the reservoir interval. A new Kirchhoff PSTM prototype technique was developed in IFP, allowing a selection of azimuth sector, offset range and geological dip, with automatic optimization of the local dip. The results from this new technique show clear improvements in dip determination and signal to noise ratio of the migrated image. The additional study of another exploration anticline in Zagros, using surface seismic, well data, VSP and geological information illustrates how an integrated data analysis can improve the understanding of deep structures, and therefore help making more reliable drilling decisions, if achieved timely. In Zagros, Surface seismic is definitely a good tool for the structural exploration, but its application to fine reservoir studies has not been demonstrated, in spite of the efforts achieved in the present study.; Le Champ d'Aghajari est situé dans le Dezful, une des zones du Zagros structurée par d'importantes failles de charriage, et contenant la majeure partie des champs d'huile iraniens. La formation calcaire de l'Asmari, datant de la fin Oligocène à début Miocène, constitue l'une des principales couches réservoir du Sud-Ouest de l'Iran, avec un historique de production de plus d'un demi siècle pour plusieurs champs de cette région. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la structure de ce champ, connu principalement par les puits de production,grâce à la première sismique 3D récemment acquise et en intégrant les informations fournies par la sismique de puits. Le problème principal est que le toit et la base du réservoir n'apparaît pas dans la zone à huile du réservoir, où les interfaces sont très pentés. Étant donné l'importance des pendages (environ 40°), les réflexions en sismique de puits zéro offset sont attendues principalement sur les composantes horizontales, ce qui rend impératif le traitement des 3 composantes. Une méthode originale d'orientation des 3 composantes est employée et les résultats confirment laprésence de réflecteurs pentés, en accord avec la sismique de surface sur le côté Est de la structure.Plusieurs nouvelles approches d'imagerie ont été appliquées afin de comprendre et résoudre les problèmes d'illumination de la zone réservoir. Nous avons appliqué pour la première fois en terrestre l'approche « Beyond Dix » de CGGVERITAS qui permet de construire un modèle profondeur à partir de pendages et courbure résiduelles move-out mesurée sur les images PSTM (pré-stack time migration). Les résultats migrés en profondeur sont plus précis dans le recouvrement mais la zone réservoir n'est pas améliorée. La raison en est queles images temps ne permettent pas de mesurer les pendages et courbures résiduelles dans la zone d'intérêt en raison d'une part de fort multiples et d'autre part d'u niveau de bruit important.Une nouvelle technique prototype de migration PSTM a été développée à l' IFP, permettant une sélection de l'azimut, du pendage géologique et la recherche automatique du meilleur pendage locale. L'application de ces techniques est très encourageante et montre qu'il est possible d'extraire les réflexions pentées en améliorant le rapport signal sur bruit de la migration elle-même.L'étude additionnelle d'exploration d'une autre structure anticlinale du Zagros, par utilisation combinée de sismique de surface, des données de puits, du PSV et de l'information géologique, illustre comment l'analyse intégrée des données permet d'améliorer la compréhension des structures profondes, et de contribuer à prendre de meilleures décisions de forage, dans la mesure où cette intégration est suffisamment rapide.Au final, dans le Zagros, la sismique de surface est définitivement une bonne méthode d'exploration structurale, mais son application aux études fines de réservoir n'a pas été démontrée, malgré les efforts effectués.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La compréhension de la genèse des séismes nécessite des modèles phénoménologiques permettant de simuler la rupture des failles et la propagation d'ondes. Or les lois de frottement utilisées en sismologie ne sont pas complètement formulées en termes de contact et de décharge. On propose un modèle d'interface complet (charge-décharge), couplant frottement, contact unilatéral et endommagement visqueux (le mécanisme de frottement apparaît progressivement tandis que l'interface s'endommage).

International audience; Results from geophysical investigations (electrical resistivity, electromagnetic mapping and seismic refraction) on an excavated cell of the Ouled Fayet (Algiers, Algeria) pilot landfill indicated the presence of an underground runoff and permeable soil underneath the cell. These results contradict those obtained by a feasibility study, based, however, only on the analysis of seventy-six 10-m drilling cores. The 1D boreholes information has been proven to be insufficient and to give biased results. The presence of water at depth is evidenced by lower resistivity, high conductivity anomalies and increase of P-wave velocity. Thus, to the contrary of what is claimed in the feasibility study, a threat of leachate pollution is real. This study shows that landfill construction studies cannot give trustful results without geophysical investigations. More specifically, in Algeria, it is imperative to elaborate a landfill construction code, which should include mandatory geophysical prospecting and deeper drilling cores.

To progress in the monitoring and understanding of soil water processes, geophysical methods can be helpful because they are noninvasive and as such do not disturb either the structure or the water dynamics of the soil. In this study we attempt to image water infiltration dynamics under a tension infiltrometer in a vertical two-dimensional (2D) plane using electrical resistivity tomography (ERT). Two-dimensional images of soil electrical resistivity at different times were obtained using a Wenner array with 32 electrodes and a 10-cm spacing during the infiltration of a Cl– or Br– solution at 0.36 and 0.34 M, respectively. This procedure allowed monitoring the development of the infiltration bulb through time. Both unipotential and multipotential infiltrations were performed and used to derive soil hydraulic conductivity and sorptivity values. Anion concentrations in soil samples taken after infiltration were compared with resistivity values obtained with ERT measurements. The axisymetrical pattern of the multipotential infiltration exhibited large distortions, well detected and imaged by the ERT and consistent with the anion concentration data. In general, images derived from 2D inversions of ERT measurements underestimated the depth of the infiltration bulb. Axisymetrical inversion software would be helpful for the interpretation of ERT data taken below tension disc infiltrometers. The ERT on a small scale seems a helpful and promising tool for deriving in situ soil hydraulic parameters and for monitoring infiltration processes without the need for placing sensors into the soil.

The present deliverable concerns the last task of the DIGISOIL’s WP1. Possible and adapted processing or inversion techniques for geophysical data are studied. A state of the art on general theory related to inverse problem is first given. Then, for the 4 methods developed in DIGISOIL (GPR, EMI, Geoelectric and seismic), the problem is deeply described and solutions are proposed. Some examples of inverted data are shown to illustrate these solutions.

17 pages, 7 figures, [ES] La Provincia Volcánica de Galápagos (PVG) es resultado de la interacción entre el punto caliente de Galápagos y la dorsal de Cocos-Nazca durante los últimos ~20 m.a. Esta interacción ininterrumpida ha producido un exceso de magmatismo de variable intensidad que ha originado las cordilleras submarinas de Carnegie, Cocos y Malpelo, y su producto actual, la plataforma insular de Galápagos. En este trabajo mostramos que la combinación de observaciones geofísicas, en este caso sísmicas, gravimétricas y batimétricas, permite no sólo determinar la estructura interna y propiedades físicas de la corteza, sino también restringir notablemente la naturaleza y funcionamiento del punto caliente. La estructura cortical obtenida con datos sísmicos muestra una gran uniformidad confirmando que toda la provincia es producto de un único proceso. Las variaciones laterales de densidad cortical asociadas a la presencia de las cordilleras explican las anomalías batimétricas y gravimétricas observadas, lo cual implica que el manto bajo las cordilleras submarinas es uniforme. Finalmente, se ha desarrollado un modelo 2-D de fusión del manto para ilustrar que la corteza de las cordilleras no parece ser producto de un manto anómalamente caliente, aún cuando se incluyan una fuente hidratada o tasas de ascensión rápidas. Por el contrario, una ascensión pasiva, en respuesta a la expansión oceánica, de un manto de temperatura normal, pero heterogéneo y fértil como resultado del enriquecimiento por reciclaje de corteza oceánica, explica de forma natural las observaciones geofísicas. Esta interpretación es consistente con la presencia de una anomalía de baja velocidad concentrada específicamente en el manto superior que se obtiene en los modelos de tomografía global, [EN] The Galápagos Volcanic Province has resulted from the interaction between the Galápagos hotspot and the Cocos- Nazca spreading center during the last 20 m.y. This continuous interaction has produced an excess of magmatism of variable intensity that has originated the submarine aseismic ridges of Carnegie, Cocos and Malpelo, as well as its current product, the Galápagos platform. In this work, we show that the combination of geophysical observations (in this case seismic, gravity and bathymetry data) allows (1) determining the internal structure and physical properties of the lithosphere and (2) constraining the nature and functioning of the hotspot. The crustal structure modelled based on wide-angle seismic data is notably uniform, confirming that the whole province is probably the result of a single, long-standing process. The lateral variations of the crustal density associated to the presence of the aseismic ridges account for the observed gravity and bathymetry anomalies, implying that the lithospheric mantle density beneath them is uniform. We have finally developed a 2D melting model to illustrate that the crust of the different aseismic ridges does not seem to be the product of a thermal anomaly, even if we consider the presence of a hydrous mantle source or considerably active mantle upwelling. In contrast, passive upwelling of a normal temperature but fertile mantle source that may result from recycling of oceanic crust prior to melting, accounts more easily for the geophysical observations. This interpretation is consistent with the presence of a low velocity anomaly specifically concentrated in the upper mantle obtained in global tomography models

The present deliverable concerns the last task of the DIGISOIL’s WP1. Possible and adapted processing or inversion techniques for geophysical data are studied. A state of the art on sensor technologies, general theory related to inverse problem is first given. Then, for the 5 methods developed in DIGISOIL (GPR, EMI, Geoelectric hyperspectral and seismic), interpretation, limitations and field examples are compiled in synthetic tables format.

The present deliverable concerns the first task of the DIGISOIL’s WP1. Requirements of the proposed system according to the data acquisition and management points of view are first studied. These requirements lead to organise the different components of the system in the frame of a functional analysis where objectives, products and functions are clearly presented. Then, a state of the art on the different geophysical sensing techniques able to contribute to the DIGISOIL’s objectives is performed. Each technique is reviewed in terms of measurement principles, processing and applications, strengths and limitations, and availability of commercial and non-commercial sensors. This part leads to identify the techniques being in the scope of the projects from those considered not suitable enough. Finally, for all of these techniques, a study of possible technical solutions is conducted for identifying the best active source, sensors, measuring strategy and equipment. A synthetic table is finally proposed to roughly identify the composition of the integrated system that will be tested in the next field experiments.

The purpose of this study concerns the review of all possible techniques for making the inversion of geophysical signals into physical parameters more robust. The information provided by the different sensors are thus be integrated in a complementary way using correction protocols and data fusion strategies. In that way, each sensor should contribute to constrain each other and regularize the overall integrated parameter estimations. The present deliverable concerns the first task of the DIGISOIL’s WP2. During this study, we analyze the requirements for making soil characteristic maps and the way to use and integrate geophysical parameters for this purpose. After a state of the art on the different solutions for assimilating different sources of information for improving the quality of such maps, we propose a review of the capabilities of each method for characterizing soil structures and soil properties. A general processing workflow is established. It constitutes a first technical solution to reach our objectives. It will be tested in the future by using data acquired during the next field acquisition missions. This processing takes into account the different geophysical sensors already identified, supposes that inversion algorithms have already been applied to these data, uses auxiliary data for corrections, calibration or validation.

The Aghajari field is located in the Dezful Embayment, one of major structural zone in Zagros fold-thrust belt containing most of Iranian oil fields. The late Oligocene-early Miocene Asmari formation is one of the main reservoir rocks of SW Iran with several decades of production history from different oil fields in the region. The objective of the present Ph-D thesis is to improve the structural understanding of the Aghajari field using 3D seismic imaging for the first time, and well seismic. the lack of seismic response of the dipping horizons in the reservoir oil zone constitutes a major identified difficulty. Given the dip values of 30° to 45° of the reflectors in the pay zone, the P-P reflections are expected to appear mainly on the horizontal components of the VSP data, justifying the processing of the 3 components (3C). An innovative method of 3C VSP orientation was developed. The 3C VSP results confirm the presence of dipping reflectors, with dip values in agreement with surface seismic, on the eastern flank of the structure. Several new approaches of seismic imaging have been applied in order to investigate and improve the reservoir illumination. The “Beyond Dix” workflow of CGGVERITAS was applied to land seismic data for the first time; this process enables to build a depth/velocity model from the dips read on the PSTM image (pre-stack time migration), and the residual move out corrections. The depth migrated image is improved in the overburden, unfortunately not at reservoir level, due to low signal to noise, interference with multiples, thus poor dip and velocity determination in the reservoir interval. A new Kirchhoff PSTM prototype technique was developed in IFP, allowing a selection of azimuth sector, offset range and geological dip, with automatic optimization of the local dip. The results from this new technique show clear improvements in dip determination and signal to noise ratio of the migrated image. The additional study of another exploration anticline in Zagros, using surface seismic, well data, VSP and geological information illustrates how an integrated data analysis can improve the understanding of deep structures, and therefore help making more reliable drilling decisions, if achieved timely. In Zagros, Surface seismic is definitely a good tool for the structural exploration, but its application to fine reservoir studies has not been demonstrated, in spite of the efforts achieved in the present study., Le Champ d'Aghajari est situé dans le Dezful, une des zones du Zagros structurée par d'importantes failles de charriage, et contenant la majeure partie des champs d'huile iraniens. La formation calcaire de l'Asmari, datant de la fin Oligocène à début Miocène, constitue l'une des principales couches réservoir du Sud-Ouest de l'Iran, avec un historique de production de plus d'un demi siècle pour plusieurs champs de cette région. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la structure de ce champ, connu principalement par les puits de production,grâce à la première sismique 3D récemment acquise et en intégrant les informations fournies par la sismique de puits. Le problème principal est que le toit et la base du réservoir n'apparaît pas dans la zone à huile du réservoir, où les interfaces sont très pentés. Étant donné l'importance des pendages (environ 40°), les réflexions en sismique de puits zéro offset sont attendues principalement sur les composantes horizontales, ce qui rend impératif le traitement des 3 composantes. Une méthode originale d'orientation des 3 composantes est employée et les résultats confirment laprésence de réflecteurs pentés, en accord avec la sismique de surface sur le côté Est de la structure.Plusieurs nouvelles approches d'imagerie ont été appliquées afin de comprendre et résoudre les problèmes d'illumination de la zone réservoir. Nous avons appliqué pour la première fois en terrestre l'approche « Beyond Dix » de CGGVERITAS qui permet de construire un modèle profondeur à partir de pendages et courbure résiduelles move-out mesurée sur les images PSTM (pré-stack time migration). Les résultats migrés en profondeur sont plus précis dans le recouvrement mais la zone réservoir n'est pas améliorée. La raison en est queles images temps ne permettent pas de mesurer les pendages et courbures résiduelles dans la zone d'intérêt en raison d'une part de fort multiples et d'autre part d'u niveau de bruit important.Une nouvelle technique prototype de migration PSTM a été développée à l' IFP, permettant une sélection de l'azimut, du pendage géologique et la recherche automatique du meilleur pendage locale. L'application de ces techniques est très encourageante et montre qu'il est possible d'extraire les réflexions pentées en améliorant le rapport signal sur bruit de la migration elle-même.L'étude additionnelle d'exploration d'une autre structure anticlinale du Zagros, par utilisation combinée de sismique de surface, des données de puits, du PSV et de l'information géologique, illustre comment l'analyse intégrée des données permet d'améliorer la compréhension des structures profondes, et de contribuer à prendre de meilleures décisions de forage, dans la mesure où cette intégration est suffisamment rapide.Au final, dans le Zagros, la sismique de surface est définitivement une bonne méthode d'exploration structurale, mais son application aux études fines de réservoir n'a pas été démontrée, malgré les efforts effectués.

In order to improve our understanding in brutal large scale ground failure phenomenon, a salt solution mining cavern was instrumented in 2004 previously to its expected collapse as part of its mining scheme. A permanent early warning system was set up, including a high resolution microseismic monitoring network linked to a surface field displacement measurement system. The important amount of data collected during this 5 years experiment offered real-time insight of the evolution of the geological system. The complete data set recorded during the experiment made it possible to track with precision the main stages in the evolution of the cavern. The early signs of failure were detected by high resolution microseismic monitoring during spring 2008: a shift in microseismic background regime as well as recurrent microseismic episodes were undoubtedly associated to a general process of rock failure due to the salt cavern extending up to a critical size. This was accompanied by a few episodes of massive roof falls while the upper part of the overburden remained elastic, with no ground surface movement detected. During a second and last stage of evolution, on-line processing and analysis of a sudden intense microseismic activity allowed the interpretation of the rapid, energetic failure of a thin and very stiff bed rock underlying 120 meters deep. After this failure, the ground surface measurements indicated an irreversible acceleration of the subsidence up to the general collapse 24 hours later. As it will be shown, the in-depth analysis of the whole data set enables to characterize the dynamic process of rupture and its associated precursory signs. It provides also essential knowledge and feedback experience for operational monitoring of underground operations carried out on other sensitive mining sites.

Accuracy of source locations of microseismic spatial swarms monitored in the vicinity of underground cavities by local seismic stations is a critical issue for the geotechnical expert in charge of assessing the local failure mechanism and its potential significance on the short-term overall stability. In order to quantify the gain in hypocenter resolution that earthquake relocation algorithms offer, multiplets were simulated using artificial sources performed in abandoned mines of the Lorraine iron-basin, region of north-eastern France. Sources consisted in small mining blasts shot in underground mine pillars at 200 meters deep, accurately controlled in terms of coordinates, orientation and energy. These "multiplet blasts" were configured to reproduce multiplet characteristics that may be defined as a group of spatially close events with similar waveforms, source mechanisms, and different origin times and magnitudes. With such a recorded dataset, first, the true orientation of all 3D sensors was counterchecked and corrected if necessary. Then a multilayered P wave velocity model was computed by taking into account all available input data, i.e. geological structure, positions of the blasts, direct P-wave arrival times and dips angles measured at the 3D probes on each experimented site. Those two steps were carried out to obtain a reliable 3D absolute location of the blasts from global inversion. On average, the misfit distance between measured and computed locations is found to be 70 meters, while for blasts correctly placed inside the microseismic network, this misfit comes down to 40 meters. This uncertainty appearing too high for clear distinction inside the several superimposed room-and-pillar mined layouts. These events were then reprocessed, using a relative location technique, considering all event pair combinations based on cross-correlated P- wave travel time delays computed in the spectral domain. Results show that relocation indeed improves the resolution, especially in the horizontal plane compared to the absolute location. If theoretical uncertainties are expected to be of the order of cm-dm, they are found to be of the order of tens of meter. Nevertheless, the true 2D geometry of the blast distribution is reliably and robustly estimated, reducing considerably error of interpretation in the risk analysis.

278 pages

This thesis is a study into the structure and functioning of hydrothermal systems. We focused on two areas, Waimangu, New Zealand, and the Phlegrean Fields - Solfatara, Italy, that we observed with several geophysical methods. The first system was chosen owing to its strong dynamics, and because it seems to be purely hydrothermal, without any magmatic influence; the second one allowed the observation and the geophysical characterization of a shallow hydrothermal plume. Our study first aimed to recognize the large scale structure of the Waimangu hydrothermal system, and to characterize its main surface expressions, namely hot lakes, geysers, and fumaroles. For this purpose, we related the self-potential and the electrical resistivity methods to measurements of temperature and CO2 flux. We then concentrated on three small-scale laboratories : Iodine vent, Inferno Crater Lake, and the Old Geyser Site. these areas are different from each other in size and also in their water chemistry, which is a key parameter in the sensitivity of electrical methods. This range enabled us to implement acoustic and electrical imaging techniques on singular systems that have their own dynamics. At Iodine Pool, the implementation of recent imaging techniques from underwater acoustics allowed us to locate hydrothermal noise sources with high accuracy. The self-potential monitoring of an intermittent vent showed cyclic fluctuations that could be explained by a change in the hydraulic head. The joint application of acoustic and electrical imaging at the Old Geyser Site showed how these two techniques complement each other in defining the location of a hydrothermal structure that matches both acoustic and electrical sources. A third step consisted in the study of the geo-electrical signature of fluid movements that relate to the Inferno cyclic activity. Electrical resistivity monitoring highlighted that the observed lake fluctuations are characterized by notable electrical resistivity changes; these variations could be due to phase changes occurring at depth, and are in good agreement with analog modellings. The experiments that have been made at the Solfatara allowed us to image the hydrothermal plume with electrical methods (3-D resistivity tomography), acoustic and thermal measurements. We present the results from both electrical resistivity tomography and temperature data that allowed us to establish the boundaries of the hydrothermal plume., Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure et du fonctionnement des systèmes hydrothermaux volcaniques. Nous nous sommes attachés à l'étude géophysique multi-méthodes de deux systèmes hydrothermaux : Waimangu, en Nouvelle-Zélande, et la Solfatara, en Italie. Le premier en raison de sa dynamique, et parce qu'il apparait comme une zone laboratoire purement hydrothermale, sans influence magmatique; le second pour l'observation et la caractérisation géophysique d'un panache hydrothermal accessible à la surface. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la reconnaissance de la structure de Waimangu à grande échelle, et à la caractérisation des principales composantes du système (lacs de cratères, zones fumeroliennes et geysers). Cette étude a permis d'associer les méthodes de potentiel spontané et de résistivité électrique avec des mesures ponctuelles de température et de flux de CO2. Nous avons ensuite ciblé notre étude sur des laboratoires à petite-échelle présents sur Waimangu : Iodine vent, Inferno Crater Lake et le site du Old Geyser. Ces systèmes différent les uns des autres par leur taille, mais aussi par leurs caractéristiques physico-chimiques, qui jouent un rôle determinant dans la sensibilité des méthodes géo-électriques. Sur le site de Iodine Pool, l'application de techniques récentes d'imagerie acoustique sous-marine a permis la localisation précise des sources de bruit hydrothermal. Le suivi par polarisation spontanée d'un évent intermittent a montré une cyclicité dans les signaux, qui peut être expliquée par une variation de hauteur piézométrique. L'application conjointe de l'imagerie acoustique et de l'imagerie électrique sur le site du Old Geyser a mis en évidence la complémentarité des deux techniques dans la localisation d'une structure hydrothermale qui correspond à la fois à une source acoustique et électrique. Dans un troisième temps, nous avons étudié la signature géo-électrique des mouvements de fluides qui accompagnent l'activité cyclique du Lac Inferno. Le suivi temporel de résistivité électrique montre que les variations du lac et les mouvements de fluide observés sont caractérisés par des variations importantes de résistivité dans le sous-sol qui pourraient correspondre à des changements de phase du fluide en profondeur, en accord avec des modélisations analogiques. La campagne réalisée à la Solfatare a permis d'imager le panache hydrothermal par les méthodes électriques (tomographie de résistivité en trois dimensions), acoustiques et thermiques. Nous présentons les résultats obtenus avec la tomographie de résistivité électrique et les mesures de température, qui ont permis de déterminer avec précision les limites spatiales du panache hydrothermal.

First arrival traveltime tomography aims at inferring a seismic wave propagation velocity model from first arrival traveltimes picked on seismograms. The velocity model inferred can be used directly to perform a structural interpretation of the subsurface or as an initial model for another seismic imaging method. This technique can be applied at different scales from geotechnical studies to seismology through oil exploration. The geophysicist know-how plays an important role in the difficult resolution of the nonlinear and ill-posed tomographic problem. Numerous studies have tried to ease and improve this resolution considering a physical or mathematical approach. Within the scope of this work, we wish to develop a pragmatic approach, i.e. we consider that the tomographic problem should be solved using an interactive algorithm whose tuning parameters are clearly identified. The interactive aspect of the algorithm facilitates the acquisition of the tomographic know-how because it allows performing, within a reasonable time, many simulations for different kinds of parameterization. The goal pursued in this work is the definition of a first arrival traveltime tomography algorithm that fulfills these specifications at best. Conventional first arrival traveltime tomography algorithms do not match our criteria of a pragmatic approach. Indeed, their implementation hardly takes benefit of the parallel architecture of current supercomputers in order to reduce the computation times. Moreover, their practical application implies a complex parameterization due to the resolution of the linear tomographic system. All these practical limitations issue from the original formulation of the algorithm based on a Gauss-Newton minimization method. The idea developed in this work is to formulate the resolution of the tomographic problem using a steepest descent method to overcome all these limitations. The key step of this formulation is the computation of the gradient of the misfit function with respect to the model parameters. We use the adjoint state method and a method based on an a posteriori ray tracing to compute this gradient. These two methods differ from their formulation, respectively nonlinear and linearized, and their implementation. Then, we clearly define the parameterization of the new algorithm and validate on a supercomputer its practical properties that are: a direct and efficient parallelization, a memory requirement independent of the amount of input data and a straightforward implementation. Finally, in order to validate the tomographic behaviour of this new algorithm, in terms of obtained results and stability, we present tomography results for 2-D and 3-D, synthetics and real, marine and land, seismic refraction acquisitions. A great number of simulations have been carried out thanks to the fast execution time of the algorithm, typically few minutes for 2-D simulations.; La tomographie des temps de première arrivée cherche à estimer un modèle de vitesse de propagation des ondes sismiques à partir des temps de première arrivée pointés sur les sismogrammes. Le modèle de vitesse obtenu peut alors permettre une interprétation structurale du milieu ou bien servir de modèle initial pour d'autres traitements de l'imagerie sismique. Les domaines d'application de cette méthode s'étendent, à des échelles différentes, de la géotechnique à la sismologie en passant par la géophysique pétrolière. Le savoir-faire du géophysicien joue un rôle important dans la difficile résolution du problème tomographique non-linéaire et mal posé. De nombreuses recherches ont entrepris de faciliter et d'améliorer cette résolution par des approches mathématique ou physique. Dans le cadre de ce travail, nous souhaitons développer une approche pragmatique, c'est-à-dire que nous considérons que le problème tomographique doit être résolu par un algorithme interactif dont les paramètres de réglage sont clairement définis. L'aspect interactif de l'algorithme facilite l'acquisition du savoir-faire tomographique car il permet de réaliser, dans un temps raisonnable, de nombreuses simulations pour des paramétrisations différentes. Le but poursuivi dans cette thèse est de définir, pour le cas spécifique de la tomographie des temps de première arrivée, un algorithme qui réponde au mieux à ces critères. Les algorithmes de tomographie des temps de première arrivée classiquement mis en oeuvre aujourd'hui ne répondent pas à nos critères d'une approche pragmatique. En effet, leur implémentation ne permet pas d'exploiter l'architecture parallèle des supercalculateurs actuels pour réduire les temps de calcul. De plus, leur mise en oeuvre nécessite une paramétrisation rendue complexe du fait de la résolution du système linéaire tomographique. Toutes ces limitations pratiques sont liées à la formulation même de l'algorithme à partir de la méthode de Gauss- Newton. Cette thèse repose sur l'idée de formuler la résolution du problème tomographique à partir de la méthode de plus grande descente pour s'affranchir de ces limitations. L'étape clé de cette formulation réside dans le calcul du gradient de la fonction coût par rapport aux paramètres du modèle. Nous utilisons la méthode de l'état adjoint et une méthode définie à partir d'un tracé de rais a posteriori pour calculer ce gradient. Ces deux méthodes se distinguent par leur formulation, respectivement non-linéaire et linéarisée, et par leur mise en oeuvre pratique. Nous définissons ensuite clairement la paramétrisation du nouvel algorithme de tomographie et validons sur un supercalculateur ses propriétés pratiques : une parallélisation directe et efficace, une occupation mémoire indépendante du nombre de données observées et une mise en œuvre simple. Finalement, nous présentons des résultats de tomographie pour des acquisitions de type sismique réfraction, 2-D et 3-D, synthétiques et réelles, marines et terrestres, qui valident le bon comportement de l'algorithme, en termes de résultats obtenus et de stabilité. La réalisation d'un grand nombre de simulations a été rendue possible par la rapidité d'exécution de l'algorithme, de l'ordre de quelques minutes en 2-D.

First arrival traveltime tomography aims at inferring a seismic wave propagation velocity model from first arrival traveltimes picked on seismograms. The velocity model inferred can be used directly to perform a structural interpretation of the subsurface or as an initial model for another seismic imaging method. This technique can be applied at different scales from geotechnical studies to seismology through oil exploration. The geophysicist know-how plays an important role in the difficult resolution of the nonlinear and ill-posed tomographic problem. Numerous studies have tried to ease and improve this resolution considering a physical or mathematical approach. Within the scope of this work, we wish to develop a pragmatic approach, i.e. we consider that the tomographic problem should be solved using an interactive algorithm whose tuning parameters are clearly identified. The interactive aspect of the algorithm facilitates the acquisition of the tomographic know-how because it allows performing, within a reasonable time, many simulations for different kinds of parameterization. The goal pursued in this work is the definition of a first arrival traveltime tomography algorithm that fulfills these specifications at best. Conventional first arrival traveltime tomography algorithms do not match our criteria of a pragmatic approach. Indeed, their implementation hardly takes benefit of the parallel architecture of current supercomputers in order to reduce the computation times. Moreover, their practical application implies a complex parameterization due to the resolution of the linear tomographic system. All these practical limitations issue from the original formulation of the algorithm based on a Gauss-Newton minimization method. The idea developed in this work is to formulate the resolution of the tomographic problem using a steepest descent method to overcome all these limitations. The key step of this formulation is the computation of the gradient of the misfit function with respect to the model parameters. We use the adjoint state method and a method based on an a posteriori ray tracing to compute this gradient. These two methods differ from their formulation, respectively nonlinear and linearized, and their implementation. Then, we clearly define the parameterization of the new algorithm and validate on a supercomputer its practical properties that are: a direct and efficient parallelization, a memory requirement independent of the amount of input data and a straightforward implementation. Finally, in order to validate the tomographic behaviour of this new algorithm, in terms of obtained results and stability, we present tomography results for 2-D and 3-D, synthetics and real, marine and land, seismic refraction acquisitions. A great number of simulations have been carried out thanks to the fast execution time of the algorithm, typically few minutes for 2-D simulations.; La tomographie des temps de première arrivée cherche à estimer un modèle de vitesse de propagation des ondes sismiques à partir des temps de première arrivée pointés sur les sismogrammes. Le modèle de vitesse obtenu peut alors permettre une interprétation structurale du milieu ou bien servir de modèle initial pour d'autres traitements de l'imagerie sismique. Les domaines d'application de cette méthode s'étendent, à des échelles différentes, de la géotechnique à la sismologie en passant par la géophysique pétrolière. Le savoir-faire du géophysicien joue un rôle important dans la difficile résolution du problème tomographique non-linéaire et mal posé. De nombreuses recherches ont entrepris de faciliter et d'améliorer cette résolution par des approches mathématique ou physique. Dans le cadre de ce travail, nous souhaitons développer une approche pragmatique, c'est-à-dire que nous considérons que le problème tomographique doit être résolu par un algorithme interactif dont les paramètres de réglage sont clairement définis. L'aspect interactif de l'algorithme facilite l'acquisition du savoir-faire tomographique car il permet de réaliser, dans un temps raisonnable, de nombreuses simulations pour des paramétrisations différentes. Le but poursuivi dans cette thèse est de définir, pour le cas spécifique de la tomographie des temps de première arrivée, un algorithme qui réponde au mieux à ces critères. Les algorithmes de tomographie des temps de première arrivée classiquement mis en oeuvre aujourd'hui ne répondent pas à nos critères d'une approche pragmatique. En effet, leur implémentation ne permet pas d'exploiter l'architecture parallèle des supercalculateurs actuels pour réduire les temps de calcul. De plus, leur mise en oeuvre nécessite une paramétrisation rendue complexe du fait de la résolution du système linéaire tomographique. Toutes ces limitations pratiques sont liées à la formulation même de l'algorithme à partir de la méthode de Gauss- Newton. Cette thèse repose sur l'idée de formuler la résolution du problème tomographique à partir de la méthode de plus grande descente pour s'affranchir de ces limitations. L'étape clé de cette formulation réside dans le calcul du gradient de la fonction coût par rapport aux paramètres du modèle. Nous utilisons la méthode de l'état adjoint et une méthode définie à partir d'un tracé de rais a posteriori pour calculer ce gradient. Ces deux méthodes se distinguent par leur formulation, respectivement non-linéaire et linéarisée, et par leur mise en oeuvre pratique. Nous définissons ensuite clairement la paramétrisation du nouvel algorithme de tomographie et validons sur un supercalculateur ses propriétés pratiques : une parallélisation directe et efficace, une occupation mémoire indépendante du nombre de données observées et une mise en œuvre simple. Finalement, nous présentons des résultats de tomographie pour des acquisitions de type sismique réfraction, 2-D et 3-D, synthétiques et réelles, marines et terrestres, qui valident le bon comportement de l'algorithme, en termes de résultats obtenus et de stabilité. La réalisation d'un grand nombre de simulations a été rendue possible par la rapidité d'exécution de l'algorithme, de l'ordre de quelques minutes en 2-D.

Bulletin du GFHN; In the French Beauce region, where the agriculture is very intensive, the groundwater has been degraded for several years by nitrate and pesticides. The work presented here aims at estimating the quantity of water that reaches the basis of the soil profile on a heterogeneous field of about 20 ha. The method was the following: i) we first realised a very precise soil map, with the help of electrical resistivity, ii) the hydric properties of the soil horizons were measured, iii) the quantity of water at the basis of the soil profile was estimated by modelling. The results showed that the heterogeneity of the field induced a difference of 30% between the most conductive soils and the less conductive ones. These results evidenced the necessity of a precise knowledge of soils properties to estimate the risk of degradation of groundwater.; En Beauce, zone de cultures intensives, on observe depuis de nombreuses années une dégradation de la qualité des eaux souterraines par l’accroissement des teneurs en nitrate et en produits phytosanitaires. Dans le cadre de la directive européenne 2000/60/CE, il convient de disposer d’outils permettant une évaluation spatialisée du risque de transfert de ces produits vers la nappe, y compris à l’échelle parcellaire. Les travaux présentés ici concernent l’estimation quantitative de la lame d’eau drainée à la base du sol sur une parcelle hétérogène. La démarche, classique, a consisté à réaliser une carte des sols précises, mesurer les propriétés hydrodynamiques des horizons de sol représentatifs de la parcelle, et estimer, par modélisation, la lame d’eau drainée au cours d’une année hydrologique. L’originalité du travail réside dans l’utilisation de la résistivité électrique, une technologie non destructive pour caractériser, à deux échelles, l’hétérogénéité du milieu. Les travaux s’appuient sur une parcelle d’une vingtaine d’hectares située à Ouarville, en Beauce Chartraine. Malgré sa faible surface, la parcelle analysée est très hétérogène, les sols s’étant développés dans un limon déposé soit directement sur le calcaire, soit sur une couverture d’argile à meulière. La carte des sols a été réalisée sur la base d’une prospection géophysique par MUCEP (dispositif tracté de mesure de la résistivité électrique à trois profondeurs), d’un modèle numérique d’altitude réalisé par GPS, et de l’analyse de 180 sondages pédologiques. Des échantillons de sol non perturbés ont été prélevés dans les horizons de cinq fosses pédologiques et l’on a déterminé leurs propriétés hydrodynamiques au laboratoire par la méthode d’évaporation de Wind. Chaque unité de la carte des sols a été représentée par un profil pédologique synthétique. Le drainage annuel à la base de chaque unité a été simulé grâce au modèle Hydrus 1D sur la base d’un scénario climatique réel (pluie et évapotranspiration issues de la station de Bricy, en Beauce). Nous avons ensuite analysé la variabilité locale de la quantité d’eau drainée, à l’intérieur d’une unité de sol. Les sondages à la tarière ayant montré une très grande variabilité à courte distance du substrat, la variabilité locale a été déterminée à partir d’une prospection géophysique par panneau électrique sur une trentaine de mètres, à une résolution de 10 cm. La lame d’eau drainée a ensuite été recalculée ponctuellement. L’expression cartographique de la quantité d’eau qui arrive annuellement à la base du sol présente une très grande hétérogénéité au sein de la parcelle, avec un écart de l’ordre de 30 % sur le drainage entre les zones les moins filtrantes (187 mm dans les néoluvisols sur argile) et les plus filtrantes (246 mm pour les néoluvisols profonds sur limon). Le panneau de résistivité électrique réalisée sur l’une des unités de sol met en évidence que la succession des horizons, de même que leur épaisseur, varie à très courte distance. La quantité d’eau qui arrive à la base du sol, calculée par l’application du modèle HYDRUS 1D à différentes positions le long du transect, varie de 202 à 223 mm/an. Ces points de drainage élevés représentent autant de zones de fuite potentielles vers la nappe et mettent en évidence la nécessité d’une caractérisation très fine du fonctionnement à l’échelle parcellaire pour estimer les risques de dégradation des eaux souterraines.

This research aims at the contribution of geophysical methods in detecting and mapping underground cavities of the Medina of Beni-Mellal. It is considered as a part of the rehabilitation project of this Medina, It is comes to complete the initiative of the Urban Agency of Beni-Mellal and the local as well as the national authorities. The methodology implemented is the one proposed in the technical guide proposed by Le Laboratoire Central Des Ponts et Chaussées De Nantes (2004). The first chapter raises the problems of cavities, called "Khefs" in relation with the history and geography of the Medina. The second chapter deals with the preliminary stages of study that concern the application of the geophysics. A critical approach of the previous reports and the visits of the geological outcrops and caves have changed the claimed assumptions about the origin and the nature of the cavities. In contrast to what has often been assumed, there can't be any cavity naturally formed and linked to Karstification. In fact these cavities are the result of men digging detritic materials to extract soil needed for building the medina itself. As a result of this wrong exploitation they left behind cavities in forms of rooms and pillars. Besides, these cavities were subject to degradation due to the human activities. The third chapter states the choice of the geophysical methods implemented, and presents the result of three of them. The seismic refraction is not recommended, while the electrical tomography and near-field electromagnetism are. Seven examples of 2D tomography profiles were presented and which clearly showed the presence of expected and resistant anomalies: Their roof is located between 0.50 m and 1.50 m deep and their lateral extension is less than 5 m. Five profiles and two electromagnetic maps demonstrate the ability to map geological variations of the surface and the sensitivity to the vertical contact located between the emptiness and the detritic material. The fourth chapter presents the results obtained with the use of geological radar covering an experimental zone of the Medina. Some specific examples were taken out of 270 profiles that had been recorded with a 400 MHz antenna for all the profiles but 200 MHz antenna is used only for a few ones. To check the outcome, 17 holes were drilled and the result was satisfactory. Seven drillings reached emptiness as it was expected; other two got the hollow at a depth greater than that of the investigation. As it was expected, five holes highlighted geological reflectors whereas two encountered no reflectors. Finally, in only one case the destructive drilling didn't allow the identification of the awaited reflectors. The onset of a study covering the traces and the spectra specially the slippery spectra seems to open promising avenues for the interpretation of radar images with limited subsequent drillings. The fifth chapter is a summary of results and also a response to questions raised by the project managers. A map of all the 200 holes detected in the whole area of Medina by all the techniques was presented. However the presence of such cavities shouldn't hinder any reconstruction or urban renewal of Medina. For each site a specific treatment is proposed and its cost remains lower than that of the construction itself. Proposals were also made for the networks in agreement with the basic principles proposed by competent professionals. Hence, the cavities in Medina move from a status of being an unpredictable threat to an element that could be tamed.; Ce mémoire traite de la contribution des méthodes géophysiques à la détection et à la cartographie des cavités souterraines de la Médina de Béni-Mellal. Il s'inscrit dans un projet de réhabilitation de la Médina, à l'initiative de l'Agence Urbaine de Béni-Mellal et des autorités municipale, régionale et nationale. La méthodologie mise en œuvre est celle proposée dans le Guide technique élaboré par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées de Nantes (2004). Le premier chapitre pose le problème des cavités, dites "Khefs", en relation avec l'histoire et la géographie de la médina. Le second chapitre traite des phases d'étude préliminaires à l'application de la géophysique. Une étude critique des documents et rapports antérieurs et des visites d'affleurements géologiques et de cavités, ont modifié profondément les hypothèses sur l'origine et la nature des cavités. Contrairement à ce qui a souvent été dit et écrit, il n'y a aucune cavité d'origine naturelle liée à la karstification. Il s'agit de cavités creusées par l'homme dans des matériaux détritiques et lacustres pour en extraire les matériaux de construction de la médina elle-même, sous la forme d'exploitation classique de type "chambres et piliers". La dégradation des cavités est également liée à l'activité anthropique. Le troisième chapitre traite du choix des méthodes géophysiques mises en œuvre et présente les résultats de trois d'entre elles. La sismique réfraction n'est pas recommandée. La tomographie électrique et l'électromagnétisme en champ proche sont en revanche recommandés. Sept exemples de profils de tomographie 2D sont présentés, qui montrent clairement la présence d'anomalies résistantes attendues : leur toit est situé entre 0,50 m et 1, 50 m de profondeur ; leur extension latérale est inférieure à 5m. Cinq profils et 2 cartes électromagnétiques démontrent la capacité à cartographier les variations de la géologie superficielle et la sensibilité aux contacts verticaux entre les vides et les matériaux détritiques en place. Le quatrième chapitre présente les résultats obtenus avec le radar géologique sur une zone expérimentale de la médina. Des exemples spécifiques sont extraits des 270 profiles qui ont été enregistrés, avec une antenne de 400 MHz pour la totalité et une antenne de 200 MHz pour quelques uns. Les résultats ont été contrôlés par 17 forages. La confirmation est satisfaisante : 7 forages ont rencontré les vides tel que prévu, 2 les ont rencontrés à une profondeur supérieure à la profondeur d'investigation, 5 ont mis en évidence un réflecteur géologique comme prévu, 2 n'ont rencontré aucun réflecteur comme prévu et enfin pour 1 seul d'entre eux, le forage destructif n'a pas permis d'identifier le réflecteur attendu. Un début d'étude sur les traces et sur les spectres, en particulier les spectres glissants, semble ouvrir des voies prometteuses pour une interprétation des radargrammes, avec un nombre limité de forages ultérieurs. Le cinquième chapitre présente une synthèse des résultats et répond notamment aux questions posées par les directeurs du projet. Une carte de toutes les cavités détectées par l'ensemble des techniques est présentée. Il y en a près de 200. Aucune zone de la Médina n'est épargnée. En revanche, cette présence n'interdit pratiquement aucun projet d'aménagement ou d'urbanisme. A chaque usage d'un lieu, un traitement spécifique est proposé, dont le coût devrait rester faible par comparaison avec celui de la construction elle-même. Des propositions sont également faites concernant les réseaux, en bon accord avec des solutions de principe proposées précédemment par des bureaux d'étude compétents. En bref, les cavités passent du statut de danger inéluctable et imprévisible, à celui d'éléments apprivoisés de la vie de la médina.