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International audience; A double focusing sector field mass filter used in Nier-Johnson geometry has been built in order to perform Kr isotope enrichment for 81 Kr and 85 Kr isotopes. The principle consists in implanting Kr + ions accelerated at 7 keV in Al foils after separation using the magnetic sector. A specific ion source has been designed capable of generating high Kr + ion beams (>0.5 μA) to transfer into the collecting Al foils in 3 to 5 h significant fractions of large Kr samples (10 15 to 10 16 atoms) initially introduced in the instrument. Implanted Kr isotopes can be further selectively released from the Al foil by surface ablation using an infrared laser beam. Implantation yields and enrichment factors are measured using a conventional mass spectrometer.

International audience; Le régime d’écoulement actuel des eaux souterraines est l’héritage des temps anciens. Le complexe aquifère nord-aquitain est l'archétype des systèmes multicouches complexes, dont le renouvellement en eaux s’effectue à une échelle de temps très importante.Dans le cadre d'un partenariat entre le BRGM et les laboratoires de l'Université de Bordeaux ENSEGID et CENBG, les traceurs isotopiques usuels (14C, 234U/238U) ont été employés conjointement aux isotopes stables de l'eau (18O et 2H) pour déterminer le temps de résidence des eaux et mettre en évidence l’origine paléo-climatique de la recharge.Ainsi, les résultats montrent bien une corrélation entre l’appauvrissement en isotopes lourds et les âges apparents plus anciens (entre 15 et 50 ka BP). Les eaux les plus récentes (entre 1 et 15 ka BP) sont logiquement rencontrées aux abords des zones d’affleurement, les âges apparents augmentant en s’éloignant de ces secteurs.Les températures de recharge des eaux, déterminées à partir des gaz rares dissous dans 13 prélèvements d’eau couvrant des temps de résidence allant de 3 à 32 ka BP, ont mis en évidence une diminution de température de l’ordre de 5,5 à 7,5°C entre le dernier Maximum Glaciaire et l’actuel.Si l'absence de période de recharge liée à la mise en place d’un pergélisol continu lors du dernier Maximum Glaciaire a été mise en évidence dans des régions de l'Europe du Nord, nos données ne montrent pas une telle absence lors de cette période. Il semble donc qu'un pergélisol continu n'a pu se mettre en place lors du dernier Maximum Glaciaire en Aquitaine.

We present physical model calculations for the production of cosmogenic Kr isotopes in stony meteorites and compare the model results with measured data for bulk samples of 12 H-chondrites which recently had been investigated for their ^Cl-^Ar cosmic-ray exposure ages and light noble gas production rates. The correlation between P(^Kr)P(^Kr) and P(^Kr)P(^Kr) modelled here is significantly different from the classical relation commonly used to derive ^Kr-Kr exposure ages. For both relations, the ^Kr ages scatter considerably around the respective ^Cl-^Ar ages, but the new relation on average yields a somewhat better agreement between ^Kr-Kr and ^Cl-^Ar ages. The calculations combined with concentration measurements of the main target elements for the production of cosmogenic Kr (Rb, Sr, Y, Zr, and Nb) show that target element chemistry does hardly influence the isotopic composition of cosmogenic Kr in bulk chondrites. These calculations also confirm earlier conclusions that the isotopic systematics of cosmogenic Kr in lunar samples are applicable for chondrites too. We derived an average ^Ar production rate at average shielding (^Ne^Ne=1.11) of (0.0431±0.0035)×10^ cm^3 STP(g×Myr).

International audience; Réalisé dans le cadre d’un partenariat entre laboratoires universitaires (ENSEGID et CENBG), et le BRGM d’autre part et financé avec le soutien du Conseil Général de Gironde et de l'Agence de l'Eau Adour-Garonne, ce travail vise à améliorer la connaissance des systèmes aquifères du nord du Bassin aquitain. Au total 36 nouveaux points ont été prélevés dans les nappes du Miocène, de l’Oligocène, de l’Éocène, du Campanien, du Cénomanien et du Jurassique. Les cations et anions majeurs, et éléments traces, les isotopes stables de l’eau (18O, 2H) et les isotopes du carbone (14C et 13C) ont été analysés sur la totalité des échantillons, dans le but d’acquérir de nouvelles données dans des secteurs peu ou pas étudiés avec ces outils. Ces mesures viennent enrichir les données déjà disponibles issues de la littérature.C’est ainsi 127 mesures d’activité en 14C avec les mesures de 13C correspondantes qui ont pu être utilisées pour recalculer des temps de résidence. Nous disposons également de 152 mesures sur les isotopes de l’eau (18O et 2H). Les résultats montrent des temps de résidence élevés déterminés par le 14C pour les eaux les plus appauvries en 18O et 2H. L'absence de période de recharge liée à la mise en place d’un pergélisol continu lors du dernier Maximum Glaciaire a été mis en évidence par de nombreux auteurs dans des régions de l'Europe du Nord, or en Aquitaine cette absence de recharge n'est pas clairement identifiée.Les mesures de gaz rares (Ne, Ar, Kr, Xe) ont permis une détermination des paléotempératures lors de la recharge des eaux dans 13 prélèvements d’eau couvrant des temps de résidence allant de 3 000 ans (BP) à 32 000 ans (BP). Ces mesures mettent en évidence au maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans, un écart de température de l’ordre de 5,7°C par rapport à l’actuel. Ces températures ne permettent pas la mise en place d’un pergélisol continu qui agit comme un imperméable qui empêche la recharge et redirige les écoulements.

International audience; Le régime d’écoulement présent des eaux souterraines est l’héritage des temps anciens. La paléo-hydrogéologie permet de comprendre les phénomènes tant hydrauliques que géochimiques actuels [1]. Le complexe aquifère nord-aquitain est l'archétype des systèmes multicouches complexes, il constitue une ressource en eau stratégique dont les réserves sont souvent importantes. Le renouvellement de ces eaux s’effectue à une échelle de temps très importante comme en témoigne les temps de résidence mesurés.Les traceurs isotopiques usuels ont été employés pour déterminer le temps de résidence des eaux (14C), et pour mettre en évidence l’origine paléo-climatique de la recharge (18O, 2H). En complément, le rapport 234U/238U a été utilisé dans l’optique de relayer le 14C dans les cas où les mesures de ce paramètre sont au-delà des seuils de détection. Les travaux antérieurs dans le sud du Bassin avaient en effet montré une forte corrélation entre les âges 14C et les rapports 234U/238U [2]. L’utilisation des mesures de gaz rares (He, Ne, Ar, Xe, Kr) doit permettre d'estimer les températures d'infiltration des eaux à l'origine et donc d’obtenir des informations sur la paléoclimatologie du bassin nord-aquitain et sur le mode d’alimentation de ce système multicouche comme cela avait été le cas dans le sud du Bassin aquitain [3].L’objectif est ici d’acquérir de nouvelles données dans des secteurs peu ou pas étudiés avec ces outils. L’interprétation de ces résultats couplée aux mesures existantes permet d’avoir une vision d’ensemble, aquifère par aquifère, des temps de résidence, des processus d’échanges entre nappes (drainance) ainsi que des éléments de compréhension sur l’alimentation du multicouche Nord Aquitain.Au total 36 nouveaux points ont été prélevés dans les nappes du Miocène, de l’Oligocène, de l’Éocène, du Campanien, du Cénomanien et du Jurassique. Les cations et anions majeurs, et éléments traces, les isotopes stables de l’eau (18O, 2H), les isotopes du carbone (14C et 13C), et le rapport 234U/238U ont été analysés sur la totalité des échantillons. Les mesures de gaz rares ont été réalisées sur un total de 25 échantillons.Les premiers résultats confirment l’existence d’un effet paléoclimatique, l’appauvrissement en isotope lourd étant corrélé à des âges apparents plus anciens (entre 15 000 ans et 50 000 ans). Les eaux les plus récentes (entre 1 000 et 15 000 ans) sont logiquement rencontrées aux abords des zones d’affleurement, les âges apparents augmentant en s’éloignant de ces secteurs. Cependant, ce schéma classique est localement perturbé par des rajeunissements locaux pouvant s’expliquer par des aspects structuraux.

International audience; A vertical distribution of helium-4 was obtained in pore-water from the Toarcian/Domerian argillaceous formation at Tournemire (South Aveyron, France). Most of the studied core samples were collected from two vertical air-drilled boreholes across the impervious argillaceous formation and penetrating the bounding aquifers. Accessible porosities for helium were assumed similar to those of water and calculated by weighting before and after heating the core samples. Helium-4 concentrations were obtained after out-gassing the rock samples in tight containers. The comparison of the total amount of 4He produced since the deposition of the formation with that presently measured in the rock reveals that more than 97% of 4He has been lost from the solid phase to pore-water and afterwards to the surrounding aquifers. Helium distribution in pore water shows a complex profile because of the presence of unexpectedly 4He-rich samples in the lower part of the Upper Toarcian level. In order to understand this distribution and to assess the transport of helium at the formation scale, a series of preliminary model calculations were performed using helium diffusion coefficients three times higher than those of water isotopes. The comparison between simulated and experimental data indicates that: (1) the helium profile could be similar to those of deuterium and chloride in pore-water if some unexpectedly 4He-rich samples are not considered; (2) the estimated transport parameters (at small scale) may be transposable at the formation scale with some uncertainties; (3) a steady state has most probably been reached between the in situ helium production and its loss towards the aquifers; (4) only 17–30 Ma of diffusion time would be necessary to obtain steady state; this is short compared to the formation age (180 Ma) and thus the helium profile cannot give very precise information about diffusion time in the massif, but is in agreement with the hypothesis that transport processes are dominated by diffusion.

Carbon storage is one of the most encouraging methods to decrease CO₂ concentration into the atmosphere. Carbon storage provides the longevity and the capacity needed to decrease CO₂ emissions toward the atmosphere. When dealing with storage on an industrial scale, carbonated reservoirs can be among the most suitable storage sites. However, these high depth injections are subject to leakage risks from the geologic trap itself or from the framework created by the establishment of the site. Two main types of leakage exist: brutal and diffusive leakage. In both cases, they are likely to endanger the environment and the population. Therefore, it is essential to develop tools that are able to anticipate any types of CO₂ leakage. Furthermore, it is also necessary to understand the reactive transport mechanism that take place when the leakage arrives in the shallow subsurface (vadose zone)and to see how the leakage can be buffered. This work deals with the characterization, the quantification and the modelling of transfer processes and CO₂-H₂O-CaCO₃ interactions into the vadose zone in a context of a leakage from a drilling well. This issue was first dealt through field experiment on the site of Saint Emilion. Then, the CO₂-H₂O-CaCO₃ interactions were studied through an experimental approach in laboratory. Two leakage experiments were performed on the site: a diffusive leakage and an ultra-diffusive leakage. They were performed as a sequel of former experiments carried on the pilot site. A comparison of all the leakage experiments revealed the necessity to use noble gases as precursor of the CO₂ arrival at the surface. Depending of the type of the leakage, helium can be a temporal precursor while krypton can anticipate the spread of the CO₂ gas plume. The higher the injection pressure, the more the gas migrates through advective flux. Moreover, a high injection pressure favors the existence of preferential paths in the vadose zone. The use of helium and carbon isotopes makes it possible to reveal the presence of a local aqueous phase within the porous media and to identify the origin of CO₂. The core scale experiments lead to the estimation of the buffering power of Oligocene limestone according to the rock facies. The permeability and the porosity influence the dissolution of the limestone. The reactivity of carbonates during a leakage depends on the pH of the aqueous phase, the flow rate that goes through the porous media, the water saturation and petrophysical characteristics of the carbonates., Le stockage géologique du carbone est l’une des techniques les plus prometteuses pour réduire le taux de CO₂ dans l’atmosphère. La séquestration géologique possède la capacité et la longévité potentielles pour diminuer les émissions de CO₂ vers l’atmosphère. Dans le cadre d’injections à l’échelle industrielle, les réservoirs carbonatés peuvent faire partie des sites aptes à stocker du CO₂. Toutefois, ces injections à grandes profondeurs sont sujettes à des risques de fuites du piège géologique lui-même ou des infrastructures liés à l’exploitation du site de stockage. Ainsi, il existe principalement deux types de fuite : brutale et diffuse. Dans les deux cas, elles sont susceptibles d’entrainer des risques pour l’environnement et de mettre en danger les populations. Il est ainsi nécessaire de développer des outils capables de prévenir une fuite de CO₂ quel que soit son type. Par ailleurs, il est particulièrement indispensable de comprendre les mécanismes de transport réactif qui rentrent en jeu lors de l’arrivée de cette fuite en contexte de proche surface (zone vadose) et ainsi d’essayer d’étudier comment cette fuite peut s’amortir. Ces travaux de thèse traitent donc de la caractérisation, de la quantification et de la modélisation des processus de transferts et des interactions CO₂-H₂O-CaCO₃ dans la zone vadose en contexte de fuite à partir d’un puits de forage. Cette problématique a été d’abord abordée par une approche expérimentale sur un site pilote à Saint-Emilion. Puis, les interactions CO₂-H₂O-CaCO₃ ont été étudiées au travers d’une approche expérimentale à l’échelle de la carotte en laboratoire. L’approche expérimentale a conduit à la réalisation de deux fuites dans la zone vadose du site pilote : une fuite diffuse et une fuite ultra diffuse. Elles furent réalisées dans la continuité des expériences qui avaient déjà eu lieu auparavant. Une comparaison de l’ensemble des fuites a montré la nécessité d’utiliser des gaz nobles comme précurseurs de l’arrivée en surface du CO₂. Selon le type de fuite, l’hélium peut servir de précurseur temporel du CO₂, tandis que le krypton prévient de l’étendue du panache de gaz durant la fuite. Plus la pression d’injection du CO₂ est importante et plus le gaz migre par advection. Par ailleurs, une pression d’injection importante favorise l’existence de passage préférentiel dans la zone vadose. L’utilisation d’isotopes tels que ceux de l’hélium et du carbone permet de mettre en évidence la présence locale de phases aqueuses dans le massif et de déterminer l’origine biologique ou anthropique du CO₂. Les expériences à l’échelle de la carotte permettent d’estimer le pouvoir tampon des calcaires oligocènes en fonction du faciès de la roche. La perméabilité et la porosité de celle-ci conditionnent la dissolution des calcaires. De même, la réactivité des carbonates en contexte de fuite dépend du pH de la phase aqueuse, du débit qui traverse le réseau poreux, de la saturation en eau et des caractéristiques pétro-physiques des carbonates.

Global warming is related to atmospheric greenhouse gas concentration increase and especially anthropogenic CO₂ emissions. Geologic sequestration has the potential capacity and the longevity to significantly diminish anthropogenic CO₂ emissions. This sequestration in deep geological formation induces leakage risks from the geological reservoir. Several leakage scenarios have been imagined. Since it could continue for a long period, inducing environmental issues and risks for human, the scenario of a diffusive leakage is the most worrying. Thus, monitoring tools and protocols are needed to set up a near-surface monitoring plan. The present thesis deals with this problematic. The aims are the characterisation, the quantification and the modelling of transport and interactions of CO₂ in a carbonate unsaturated zone. This was achieved following an experimental approach on a natural pilot site in Saint-Emilion (Gironde, France), where diffusive gas leakage experiments were set up in a carbonate unsaturated zone. Different aspects were investigated during the study: natural pilot site description and instrumentation; the physical and chemical characterisation of carbonate reservoir heterogeneity; the natural functioning of the carbonate unsaturated zone and especially the set-up of a CO₂ concentrations baseline; the characterisation of gas plume extension following induced diffusive leakage in the carbonate unsaturated zone and the study of gas-water-rock interactions during a CO₂ diffusive leakage in a carbonate unsaturated zone through numerical simulations. The results show the importance of the carbonate reservoir heterogeneity characterisation as well as the sampling and analysing methods for the different phases. The baseline set-up is of main interest since it allows discrimination between the induced and the natural CO₂ concentrations variations. The transfer of CO₂ in a carbonate unsaturated zone is varying in function of physical and chemical properties. This transfer is done by diffusion and/or advection. Because the detection of the noble gases allows the prediction of CO₂ plume arrival, the use of tracers in the sequestration site is of main importance. The chemical interactions have to be taken under account in transport models in order to predict delay factors and the impact of a CO₂ leakage in a carbonate unsaturated zone., Le réchauffement climatique est lié aux augmentations des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre et en particulier aux émissions anthropiques de CO₂. La séquestration géologique a la capacité et la longévité potentielles pour diminuer de façon significative les émissions anthropiques de CO₂. Cette séquestration à grande profondeur induit des risques de fuite des réservoirs géologiques. Parmi les scénarios de fuite envisagés, celui d'une fuite diffuse est le plus inquiétant puisque sans surveillance, cette fuite pourrait perdurer et entrainer des séquelles sur l'environnement ainsi que des risques pour les populations. Des outils et protocoles de surveillance doivent donc être mis au point pour la surveillance en proche surface. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de cette problématique. Il a pour objectif la caractérisation, la quantification et la modélisation du transport et des interactions du CO₂ dans une zone non saturée carbonatée. Ce travail a suivi une approche expérimentale sur un site pilote naturel à Saint-Emilion (Gironde, France), avec la réalisation de fuites diffuses en ZNS carbonatée. Cette étude aborde plusieurs thématiques: la description et l'instrumentation du site pilote naturel ; la caractérisation physico-chimique de l'hétérogénéité du réservoir carbonaté ; l'étude du fonctionnement naturel de la ZNS carbonatée et en particulier la mise en place d'une ligne de base des concentrations en CO₂ ; la caractérisation de l'extension des panaches de gaz suite à des expériences de fuite diffuse dans la ZNS carbonatée et l'étude par simulation numérique des interactions gaz-eau-roche lors d'une fuite diffuse de CO₂ dans une ZNS carbonatée. Les résultats de ces travaux montrent l'importance de la caractérisation de l'hétérogénéité du réservoir carbonaté ainsi que des techniques d'échantillonnage et d'analyse des différentes phases en présence. L'établissement de la ligne de base a une importance particulière pour permettre de distinguer les variations naturelles de celles induites par une fuite diffuse de CO₂ dans la ZNS carbonatée. Les modes de transport du CO₂ vont évoluer en fonction des paramètres physico-chimiques. Ce transport se fait par advection et/ou par diffusion. L'utilisation de gaz inertes au niveau du site de séquestration géologique est très importante puisque la détection de ces traceurs permettrait de prédire les arrivées de panaches de CO₂ en proche surface. Par ailleurs, les interactions chimiques doivent être prises en compte dans les modèles de transport afin de pouvoir définir les facteurs de retard et l'impact d'une fuite diffuse de CO₂ sur une ZNS carbonatée.