Les méthodes géophysiques aéroportées sont très utilisées pour la prospection du sous-sol à l'échelle régionale, permettant ainsi de couvrir de grandes surfaces en particulier les zones difficiles d'accès. Le sujet de thèse concerne le développement de techniques d'interprétation des données géophysiques pour le problème des ressources naturelles et de l'environnement. La première partie de cette thèse concerne le développement d'une méthode de calcul direct des composantes des champs gravimétrique et magnétique à partir d'une structure (corps) géologique modélisé(e) par une grille à base de tétraèdres, ce qui permet de représenter des modèles géologiques très complexes particulièrement en présence de zones faillées et hétérogènes avec un nombre d'éléments optimal. Plusieurs techniques d'inversions utilisent des contraintes mathématiques pour la résolution du problème inverse en modélisation. Ces contraintes permettent de réduire le nombre de modèles possibles. Cependant les solutions proposées appelées aussi « le modèle le plus probable » présentent des solutions lisses, ce qui est loin de représenter la réalité géologique. Pour éluder ce problème, les deuxièmes et troisièmes parties de la thèse proposent des améliorations majeures du processus d'inversion par l'utilisation des méthodes géostatistiques telles que la Simulation Gaussienne Séquentielle ou la Co-Simulation dans le cas d'une inversion conjointe afin d'estimer les probabilités a posteriori des modèles simulés. La quatrième partie de ce mémoire présente une alternative à la simulation de plusieurs variables. L'apprentissage du réseau de neurones supervisé par un certain nombre de points permet d'établir une relation entre les différentes variables

La modélisation du sous-sol est un outil indispensable pour décrire, comprendre et quantifier les processus géologiques. L'accès au sous-sol et son observation étant limités aux moyens d'acquisition, la construction de modèles tridimensionnels du sous-sol repose sur l'interprétation de données éparses à résolution limitée. Dans ce contexte, de nombreuses incertitudes affectent la construction de tels modèles, dues aux possibles biais humains cognitifs lors de l'interprétation, à la variabilité naturelle des objets géologiques et aux incertitudes intrinsèques des données utilisées. Ces incertitudes altèrent la prédictibilité des modèles et leur évaluation est donc nécessaire afin de réduire les risques économiques et humains liés à l'utilisation des modèles. Le travail de thèse s'est déroulé dans le cadre plus spécifique des incertitudes sur les structures géologiques. Les réponses apportées sont multiples : (1) une méthode stochastique de génération de modèles structuraux à géométrie et topologie changeantes, combinant une connaissance a priori des structures géologiques aux données interprétées, a été développée ; (2) le réalisme géologique des structures modélisées est garanti grâce à la modélisation implicite, représentant une surface par une équipotentielle d'un champ scalaire volumique ; (3) la description des failles en un nombre restreint de paramètres incertains a permis d'aborder la modélisation inverse, ce qui ouvre la voie vers l'assimilation de données géophysiques ou d'écoulement fluides grâce à des méthodes bayesiennes

Les réseaux de fractures et les karsts constituent des discontinuités au sein de la roche qui affectent considérablement les écoulements de fluides, ce qui engendre des problèmes spécifiques dans divers domaines des géosciences. La problématique générale consiste à déterminer les caractéristiques géométriques et hydrauliques des réseaux de fractures ou de karsts. La caractérisation et la modélisation de ces structures se heurtent cependant à leur complexité géométrique et à leur distribution spatiale hétérogène. De plus, les observations et données directes concernant aussi bien les fractures et karsts que leur encaissant rocheux restent largement insuffisantes pour décrire avec certitudes leurs caractéristiques. Pour ces raisons, la modélisation de réseaux de fractures ou de karsts est le plus souvent réalisée dans un cadre probabiliste. Des simulations stochastiques de type objet ou pixel sont généralement mise en oeuvre pour générer des modèles 3D de fractures ou karsts. Cependant les mécanismes sur lesquels repose ce type d'approche ne permet pas de reproduire toutes la complexité de ces objets naturels et fournit des modèles manquant de réalisme géologique.Dans ces travaux de thèse, nous proposons d'aborder la problématique de la modélisation des fractures et des karsts suivant une approche pseudo-génétique. Il s'agit de contraindre le processus de simulation stochastique de fractures et karsts par des règles géométriques et heuristiques qui imitent les processus physiques gouvernant leur formation. Deux méthodes poursuivant cet objectif ont été développées, l'une adressant la simulation des fractures et la seconde celle des karsts. Les modèles ainsi générés exposent des caractéristiques similaires à celles des réseaux de fractures et karsts naturels.

Afin de préciser l'origine des volatils terrestres et les flux actuels et passés vers l'atmosphère, de nombreuses études s'intéressent à la composition du manteau. Ce réservoir est échantillonné naturellement lors des éruptions volcaniques, mais une grande partie des gaz est alors émise dans l'atmosphère, de sorte que la composition des volatils du manteau reste peu contrainte. Nous cherchons à préciser les mécanismes de dégazage sous les dorsales océaniques afin de corriger ces fractionnements. L'analyse (He-Ne-Ar-CO2) de verres basaltiques issus de la dorsale des Galápagos, dans la zone d'influence du point chaud des Galápagos, montre que la composition en volatils des laves s'explique par distillation de Rayleigh d'une source unique. Cette source est distincte de celle du point chaud (isotopes du néon), impliquant un dégazage en profondeur du panache ou une hétérogénéité spatiale de sa composition.Plusieurs verres volcaniques issus de la dorsale Atlantique et Est Pacifique ont été imagés par micro-tomographie aux rayons X. L'étude met en évidence des mécanismes de nucléation et de croissance des bulles différents sous les deux dorsales. De la convection en périphérie de la chambre magmatique avant l'éruption a été mise en évidence par l'étude pétrologique des verres. Les vésicules imagées ont ensuite été ouvertes individuellement sous vide par ablation laser et analysées (CO2, 4He, isotopes de l'argon). La composition des bulles est hétérogène dans certains échantillons et compatible avec une distillation de Rayleigh. Les tendances de dégazage obtenues permettent d'obtenir localement la composition de la source mantellique, qui est hétérogène.L'étude permet également d'appréhender l'hétérogénéité des rapports 40Ar/36Ar dans les chambres magmatiques par la technique d'ablation laser qui diminue la contamination atmosphérique par rapport à la technique classique de broyage

La restauration est un outil de géologie structurale qui a prouvé son utilité dans divers domaines, tels que la compréhension des mécanismes de déformation, la prédiction de fractures, la validation de modèles structuraux, etc. En 3D, l'approche géomécanique est particulièrement prometteuse, puisqu'elle permet non seulement de connaître la déformation en tout point du modèle, mais aussi de prendre en compte les contrastes de propriété des matériaux. Cependant, elle nécessite un maillage tétraédrique du modèle dont la génération est à ce jour très difficile dans le cas de modèles à géométrie complexe (réseaux de failles interconnectés ou à faible rejet, discordances ou amincissements de couche). La modélisation implicite consiste à représenter les horizons stratigraphiques par des isovaleurs de propriété, ce qui permet de s'affranchir de la plupart des contraintes de maillage. Dans une première partie, une méthode de restauration géomécanique 3D applicable à des modèles implicites est présentée. La deuxième partie de ce travail s'intéresse à l'application de celle-ci à des cas complexes. Dans ce cadre, de nouvelles lois de comportement géomécaniques et conditions aux limites ont été développées, et des études de sensibilité à ces paramètres ont été menées. Ces travaux sont illustrés sur un bassin pétrolier complexe situé dans le delta du Niger où la restauration permet de définir une chronologie de déformation. Enfin, la troisième partie présente l'intégration d'une méthode de décompaction isostatique en volume au sein du processus de restauration 3D. Appliquée au synclinal des grès d'Annot (SE de la France), cette méthode permet de caractériser l'histoire de déformation et d'enfouissement du bassin

En géosciences, la majeure partie du sous-sol est inaccessible à toute observation directe. Seules des informations parcellaires ou imprécises sont donc disponibles lors de la construction ou de la mise à jour de modèles géologiques ; de ce fait, les incertitudes jouent un rôle fondamental en géomodélisation. La théorie des problèmes inverses et les méthodes de simulations stochastiques fournissent un cadre théorique permettant de générer un ensemble de représentations plausibles du sous-sol, également nommées réalisations. En pratique, la forte cardinalité de l'ensemble des réalisations limite significativement tout traitement ou interprétation sur le modèle géologique.L'objectif de cette thèse est de fournir au géologue des algorithmes de visualisation permettant d'explorer, d'analyser et de communiquer les incertitudes spatiales associées à de larges ensembles de réalisations. Nos contributions sont les suivantes : (1) Nous proposons un ensemble de techniques dédiées à la visualisation des incertitudes pétrophysiques. Ces techniques reposent sur une programmation sur carte graphique (GPU) et utilisent une architecture garantissant leur interopérabilité ; (2) Nous proposons deux techniques dédiées à la visualisation des incertitudes structurales, traitant aussi bien les incertitudes géométriques que les incertitudes topologiques (existence de la surface ou interactions avec d'autres surfaces) ; (3) Nous évaluons la qualité des algorithmes de visualisation des incertitudes par le biais de deux études sur utilisateurs, portant respectivement sur la perception des méthodes statiques et par animation. Ces études apportent un éclairage nouveau sur la manière selon laquelle l'incertitude doit être représentée

Les chondres, sphérules infra-millimétriques composées de minéraux silicatés de haute température, sont les constituants majeurs des météorites primitives. Ils présentent d'importantes variabilités texturales et chimiques révélatrices d'une histoire complexe. Cette thèse s'est intéressée à la chronologie de formation des chondres et de leurs précurseurs à deux échelles de temps distinctes aux moyens de deux approches complémentaires : la géochimie isotopique via le chronomètre isotopique à courte période ²lAl-²Mg et la pétrologie expérimentale. Le développement au cours de cette thèse d'un protocole analytique innovant de mesure in situ de haute précision par sonde ionique des compositions isotopiques du Mg et Al, a permis de démontrer l'homogénéité de la distribution de l'²Al dans le disque d'accrétion, ce qui présente d'importantes implications sur la chronologie relative et les processus de formation des chondres, mais aussi sur l'origine de l'²Al dans le Système Solaire. L'application de ce protocole analytique aux olivines reliques des chondres permet de préciser leur origine, ainsi que leur chronologie et leur processus de formation. Les expérimentations permettent de montrer qu'il est aisé de former des analogues de chondres de type II PO à partir de chondres de type I PO. Un tel processus de formation des chondres implique l'application de régimes thermiques isothermes suivis d'une trempe rapide, incompatibles avec les mécanismes classiques d'ondes de choc. D'autre part, nous montrons que les compositions chimiques en éléments majeurs et traces des différents types de chondres porphyriques peuvent être reproduites par le mélange de trois phases réfractaires solides héritées des précurseurs des chondres (olivine réfractaire, liquide réfractaire et métal) et d'une phase gazeuse riche en éléments volatils et modérément volatils. Ces résultats nous ont conduit à proposer un modèle de filiation entre les chondres

Les Grès d'Annot préservés dans les chaînes subalpines méridionales sont des turbidites riches en sable déposées dans le basin d'avant pays alpin durant l'Eocène supérieur et l'Oligocène inférieur. La sédimentologie et la stratigraphie de ce système turbiditique ont déjà été étudiées, mais le contexte structural reste mal connu. Cette thèse est consacrée à l'étude tectonique des Grès d'Annot, combinant un travail de terrain et l'utilisation d'outils de modélisation géométrique en 3D (gOcad) et cinématique (Trishear), centrés sur les sous-bassins d'Annot, du Grand Coyer et de Sanguinière. L'objectif est d'étudier l'héritage et l'évolution structural du bassin turbiditique et de le replacer dans le contexte régional du SE de la France. Les résultats indiquent que le remplissage du bassin périalpin précoce (Eocène et Oligocène) est bien plus complexe qu?une simple migration de la sédimentation (Grès d?Annot) et de la déformation vers l?avant pays. Ils révèlent des interactions entre tectonique et sédimentation à différentes échelles. A l?échelle de l?avant-pays, une coupe équilibrée illustre le contrôle primordial de la marge passive salifère préexistante sur la structure de la chaîne plissée. Le sel triasique constitue un décollement basal régional, qui de par sa faiblesse, a accommodé une déformation alpine précoce d?une large zone de l?avant-pays dès l?Éocène moyen et supérieur. Les variations de stratigraphie mécanique des séries mésozoïques sont à l?origine d?un changement de style structural : lors de la compression, plusieurs niveaux de décollement actifs se développent dans la partie orientale où les séries sont plus argileuses et plus fines. Ceci induit, en surface, une géométrie de bassin complexe avec des plis de longueurs d?ondes différentes et des migrations de charnière au cours de la sédimentation turbiditique. L?héritage structural du bassin d?avant-pays, jusqu?alors sous-estimé, est le résultat de l?ouverture de la Téthys alpine et d?une déformation précoce régionale exprimée par des plis d?axe E-W qui débute dès le Crétacé supérieur et s?accentue durant l?Éocène moyen. Des résultats préliminaires de thermochronologie (datations U-Th/He sur zircons détritiques de grès moyens à grossiers ou de granodiorites présentes dans les coulées de débris du dépocentre de Sanguinière) suggèrent une exhumation des reliefs à l?origine du matériel détritique liée à cette déformation crétacée. L?étude structurale détaillée de la série des Grès d?Annot et de son substratum dans les sous-bassins d?Annot et du Grand Coyer permet de définir en 3D les connections entre les dépocentres et de proposer une évolution structurale de ceux-ci à l?échelle du bassin. Les paléocourants montrent un parallélisme avec la direction des plis majeurs, indiquant un confinement alors que des directions divergentes à proximité des structures tectoniques plus mineures ou transverses suggèrent que ces dernières interagissent avec les écoulements. Les turbidites se déposent parallèlement dans plusieurs synclinaux alpins, actifs en alternance ou en même temps. A l?échelle des dépocentres, la modélisation géométrique 3D du dépocentre d?Annot en utilisant gOcad permet d?identifier les structures héritées et de démontrer la contemporanéité du plissement alpin et des dépôts turbiditiques. La migration de l?onlap des dépôts de grès et la variation des pendages à l?intérieur des membres turbiditiques sont associées à une migration du dépocentre. Cette géométrie est liée à une migration de la charnière synclinale qui favorise une tendance des dépôts à migrer latéralement plutôt qu?à s?empiler.D?un point de vue sédimentologique et stratigraphique, les Grès d?Annot sont connus pour être un bon analogue des réservoirs des grands fonds de type « riches en sable », situés sur les marges passives en aval de deltas.

Ce travail explore la possibilité de passer d'un couple de modèles développés pour de petits bassin versant, à un modèle capable de simuler un bassin de plus grande superficie (« upscaling »). Il étudie en parallèle l'adaptation du couple de modèles ASPECTS / WiTCh à deux petits bassins versants à la géologie contrastée et le comportement hydrochimique du bassin supérieur de la Moselle. Le premier volet de ce travail est l'étude du couple de modèle ASPECTS / WiTCh et des adaptations à y faire pour pouvoir l'utiliser sur des sites contrastés des Vosges. Le premier site est situé sur les grès, le deuxième sur la partie granitique du massif. Le modèle s'est révélé capable de reproduire les débits journaliers ainsi que les concentrations moyennes observées dans les ruisseaux sur les deux sites, sauf pour quelques éléments sur granite. On a pu montrer que les variations saisonnières d'acidité de la rivière étaient très dépendantes du cycle de l'azote dans le modèle. Le second volet est l'étude des variations saisonnières de la composition chimique et isotopique de l'eau de la Moselle à un pas de temps de 2 semaines. Les valeurs enregistrées le long de la rivière confirment qu'il s'agit d'un mélange entre deux pôles chimiques et montrent que ses variations saisonnières sont principalement liées au débit. On pourrait modéliser le bassin par un modèle à deux couches, l'une profonde correspondant à l'étiage, l'autre superficielle correspondant aux crues. Les analyses isotopiques permettent de préciser les contributions relatives de ces deux couches lors de la fonte des neiges, mais nécessiteraient des mesures très précises de l'eau de pluie pour être utilisées lors des crues

De nouveaux levers cartographiques et une étude pétrologique ont permis de redéfinir la lithologie de la région de Boumnyebel et sa signification sur la chaîne panafricaine d'Afrique centrale. Deux unités sont distinguées. Une première unité d?orthogneiss et amphibolites paléoprotérozoïques affleure au sud et sud-ouest de la région d'étude. Elle est recouverte par une seconde unité panafricaine (nappe) constituée vers la base de micaschistes à grenat, amphibolites, métagabbros, hornblendites et pyroxénites, et vers le haut de micaschistes à grenat-disthène localement associés à des marbres et amphibolites ; des talcschistes s'intercalent en niveaux discontinus (=30 m) entre ces deux ensembles panafricains. La nature des faciès de la partie inférieure de la nappe suggère l'existence d'une marge active à proximité d'une croûte continentale (environnement d'arc ou d'arrière-arc), ceux de la partie supérieure suggérant plutôt un apport de sédiments en provenance d'une croûte continentale soumise à l'érosion. Le métamorphisme des formations panafricaines, de faciès amphibolite, atteint la fusion (migmatites) au nord-est de la région étudiée. Le pic métamorphique (syn-D2) est estimé à ~ 650- 670°C / ~ 9.5 kbar vers 620 Ma (datation Th-U-Pb sur monazite) et les isogrades sont en position normale. Ceci suggère que le pic thermique est postérieur à la mise en place de la nappe. Soulignons, enfin, que l'abondance des roches mafiques et ultramafiques de nature tholéïtique dans la partie inférieure de la série repose la question de l'existence d'une marge active au Nord du craton du Congo durant le Néoprotérozoïque.