Дисертації з теми "Eau de géothermie"

Dans le cadre du programme europeen de recherches en geothermie roches chaudes seches, un forage profond gpk1 (2000 m) a ete realise dans le granite de soultz-sous-forets (bas-rhin, france). Ce granite se situe a l'interieur du graben rhenan sous une puissante couverture sedimentaire. Cette etude geologique vise a caracteriser ce massif granitique du point de vue de la fracturation naturelle, des alterations hydrothermales et des interactions eau-roche. L'analyse de la fracturation naturelle s'appuie sur l'interpretation d'imageries de paroi de forages. Ces diagraphies electrique (fms) et acoustique (bhtv) ont permis de determiner la geometrie des fractures naturelles potentiellement stimulables. Les familles directionnelles principales de fractures s'orientent suivant l'axe n160#oe et n170#oe et plongent de 70#oe a 80#ow. Ces structures tectoniques sont colineaires a la direction de la contrainte maximale horizontale actuelle connue au voisinage du puits geothermique. L'etude des alterations hydrothermales du granite, met en evidence l'existence de deux systemes principaux superposes: 1) une alteration pervasive precoce qui se singularise par une transformation selective des mineraux parentaux du granite (plagioclases, biotites) sans modification de la texture du granite; 2) une alteration filonienne qui s'accompagne de neoformations minerales dans les fractures et leurs epontes (illites, carbonates, hematite, quartz). La simulation de l'interaction eau de surface-roche alteree par un code de calcul thermodynamique, tend a montrer que le granite subit une dissolution significative. Dans ce systeme ouvert, cette dissolution signifierait donc que la porosite du milieu augmenterait lors d'une injection d'eau. Cette etude geologique permet de reviser le modele roches chaudes seches classique et de raisonner plutot en terme de reservoir geothermique fracture hydrothermalise, possedant les caracterist

La méthanisation est un processus biologique anaérobique capable de convertir une grande variété de résidus organiques tels que des biodéchets, déchets agricoles et divers effluents en énergie (biogaz) et en un produit résiduel (digestat) riche en nutriments. La gestion d'un volume croissant de digestat et les préoccupations environnementales associées à leur épandage motivent la recherche de nouvelles voies de valorisation. Dans ce contexte, cette thèse s'intéresse à la culture de cyanobactérie comme stratégie innovante pour le traitement de digestats liquides et de CO2 biogénique de méthanisation tout en produisant une nouvelle biomasse d'intérêt. Du fait de sa composition assez complexe, le digestat doit souvent être dilué avec de l'eau pour réduire sa toxicité envers les microalgues et cyanobactéries. Dans la première étude, de l'eau de géothermie a été étudiée comme substitut à l'eau douce afin de réduire l'empreinte environnementale du procédé de culture. Pour cela, quatre digestats d'unités industrielles ont été échantillonnés et testés pour la culture de A. platensis en utilisant plusieurs facteurs de dilution et deux types d'eau (déminéralisée vs géothermie). Les essais laboratoires ont montré que l'utilisation de l'eau de géothermie n'a pas induit de changements significatifs dans les profils de croissance d'A. platensis par rapport à de l'eau déminéralisée. Alors les résultats ont été validés en photobioréacteurs de 6 L en intégrant une régulation du pH par injection de CO2. Des productivités comprises entre 81 et 136 mg/L/j ont été atteintes. Dans la deuxième étude, un prétraitement du digestat par échanges ioniques a été exploré afin de réduire sa toxicité et d'abaisser la quantité d'eau nécessaire à la préparation des milieux. Ainsi, de la zéolithe, roche volcanique poreuse connue pour sa forte affinité avec l'ammonium, a été testé du laboratoire (0.45 L) à l'échelle pilote (15.5 L) à l'aide de colonnes d'adsorption garnies. Après 24h de traitement avec 0.5 kg/L de zéolithe, la concentration en ammonium du digestat a été réduite de 2250 à 120 mgN/L, représentant une efficacité de traitement de 95% et une capacité d'adsorption de l'ordre de 4,1 mg/g de zéolithe aux deux échelles. Des essais de culture d'A. platensis ont permis de montrer qu'il était possible d'abaisser le taux de dilution de 20x avec le digestat brut à 1x (aucune dilution) pour le digestat traité. La montée en échelle a démontré que la culture en photobioréacteur de 6 L à l'aide du digestat traité (non dilué) était possible mais devait cependant être optimisée afin de maximiser la productivité en biomasse (33 mg/L/j) et l'utilisation de nutriment tels que l'ammonium (retrait 53 %).Les résultats obtenus dans cette thèse ont été utilisés pour mettre en place des essais de prétraitement de digestat et de culture d'A. platensis dans une serre expérimentale en conditions non-contrôlées. Six traitements à la zéolithe (250 g/L) ont été réalisés à l'échelle pilote pour traiter 53 L de digestat, montrant une répétabilité efficace entre les traitements avec un retrait moyen d'ammonium de 81 ± 4 %. Ensuite deux typologies de réacteurs ouverts (raceway) et fermés (colonne à bulles) de 100 L ont été comparées pendant plus de 150 jours d'expérimentation en serre située dans le Sud-Ouest de la France. Les cultures à base de digestat y ont été comparées à un milieu de culture synthétique et deux stratégies de culture ont été étudiées en utilisant un inoculum frais ou acclimaté au cours d'une série de batchs. L'utilisation d'inoculum frais d'A. platensis a permis d'obtenir des productivités de biomasse plus élevées et stables qu'avec l'inoculum acclimaté. De plus, les réacteurs ouverts ont conduit à une perte importante d'eau due à l'évaporation tout au long de l'expérience, représentant 27± 9 %Vtot. Des productivités de 10±3 mg/L/d ont été obtenues dans les deux réacteurs avec du digestat prétraité à la zéolithe et dilué (5x) avec de l'eau de géothermie
Anaerobic digestion (AD) is a biological process capable of converting a wide variety of organic residues such as biowastes, agricultural residues and energetic crops into renewable energy (biogas) and a fertilizing product (digestate) rich in macro/micro nutrients. In recent years, the number of anaerobic digestion plants in France has risen considerably from around 300 units in 2013 to 1494 in 2023. The management of a growing volume of digestate and the environmental concerns associated with its land application are motivating the search for new valorization pathways. In this context, this thesis focuses on cyanobacteria culture as an innovative strategy for treating both liquid digestate and biogenic CO2 coming from AD, while producing a new biomass of interest at the same time. Due to its complex composition, digestate often needs to be diluted with water to reduce its toxicity for microalgae and cyanobacteria growth. In the first study, geothermal water was investigated as a substitute for fresh water to reduce the environmental footprint of the cultivation process. Four digestates from industrial plants were sampled and tested for A. platensis cultivation using several dilution factors and two types of water (demineralized vs. geothermal). Laboratory tests showed that the use of geothermal water did not significantly affect A. platensis growth profiles compared with demineralized water. The results were then validated in 6 L photobioreactors, incorporating pH regulation by CO2 injection. Productivities ranging from 81 to 136 mg/L/d were achieved during these assays.The second study explored the digestate pretreatment by ion exchange process to reduce its toxicity and decrease the required water for preparing culture media. Zeolite, a porous crystalline aluminosilicate material with high affinity for ammonium, was tested at laboratory (0.45 L) and at pilot (15.5 L) scales using packed adsorption columns. After 24 hours of treatment with 0.5 kg/L of zeolite, the initial ammonium concentration of 2250 mgN/L in the digestate was reduced below 120 mgN/L corresponding to a treatment efficiency of 95% and an average adsorption capacity of 4.1 mg/gzeolite at both scales. A. platensis cultures demonstrated the possibility of considerably reducing the dilution rate from 20x with the untreated digestate to 1x (no dilution) for the treated digestate. The scale-up experiment demonstrated that cultivation in 6 L photobioreactors using the treated and undiluted digestate was feasible. However, further optimization is necessary to maximize biomass productivity (33 mg/L/d) and nutrient assimilation, such as ammonium uptake where only 53% of removal was observed.All the results obtained in this thesis were used to set up digestate pre-treatment and A. platensis cultivation trials under outdoor weather conditions. A total of six treatments with zeolite (250 g/L) were carried out on a pilot scale to treat 53 L of digestate, showing efficient repeatability between treatments with an average ammonium removal of 81 ± 4%. As part of this study, two types of 100 L open (raceway) and closed (bubble column) reactors were studied and compared over 150 days of cultivation in an experimental greenhouse based in the South-West of France. Following this, digestate-based cultures were compared with conventional synthetic culture medium and two cultures strategies were investigated using fresh or acclimated inoculum in batch to batch systems. The systemic use of fresh A. platensis inoculum during repeated batches resulted in higher and more repeatable biomass productivities than with acclimated inoculum. In addition, open reactors led to an important loss of water due to evaporation throughout the experiment, accounting for 27± 9%Vtot. Finally, biomass productivity of 10 ± 3 mg/L/d were obtained in both reactors using zeolite pretreated digestate diluted 5 times with geothermal water

Le travail présenté concerne l'étude d'un système solaire combiné intégrant simultanément l'énergie solaire thermique et la géothermie basse température; il répond aux besoins de chauffage, de rafraîchissement et de production d'eau chaude sanitaire des bâtiments. L'utilisation de l'énergie solaire est décrite par les points suivants : - L'énergie solaire est utilisée en priorité pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire ; - L'énergie solaire peut également chauffer le bâtiment grâce à un fonctionnement en mode plancher solaire direct ; - Le surplus d'énergie solaire est injecté dans le sol pour favoriser sa recharge thermique. Ce système solaire combiné a été installé dans une maison individuelle de 180 m2 en Savoie. Son étude expérimentale durant ses 18 premiers mois de fonctionnement montre que le système est opérationnel. Il permet d'avoir une consommation électrique globale (compresseur de la pompe à chaleur, appoint électrique du ballon d'eau chaude et circulateurs) de 26 kWh/m² pour chacune des deux saisons de chauffage. L'étude expérimentale montre également que l'injection d'énergie solaire dans le sol a un faible impact sur le bilan énergétique global annuel. La simulation du modèle numérique du procédé, développé avec le logiciel TRNSYS, met en évidence que le couplage de l'énergie solaire avec la géothermie basse température est difficile à justifier, en terme de bilans énergétiques, pour une maison individuelle. Par contre, le recours à l'énergie solaire pour recharger thermiquement le sol est une très bonne solution pour des bâtiments collectifs, où la concentration des échangeurs géothermiques dans le sol est bien plus importante que pour l'habitat individuel. La simulation du procédé sur un immeuble de 36 logements montre qu'avec un taux de recharge thermique inférieur à 45%, le risque de geler le sol, de façon plus ou moins étendue, est présent après 20 ans de fonctionnement. Sans fonctionnement en rafraîchissement, une surface de capteurs de 300 m2 permet un taux de recharge thermique du sol de 78% et évite tout risque de gel à long terme. Une telle surface garantie une bonne stabilité des performances avec une diminution du COP de la pompe à chaleur inférieure à 6% après 20 ans. Cette surface représente 3 fois la surface nécessaire aux besoins d'ECS
The presented work is focused on the study of a solar combisystem which meets domestic hot water and heating-cooling building energy needs. Solar heat is used as a priority for domestic hot water heating and when the preset water temperature is reached, excess solar energy is injected into the ground via boreholes. Solar energy can also be used to heat directly the building thanks to a direct solar floor. This system has the advantage of contributing to balancing the ground loads, increasing the operating time of the solar collectors and preventing overheating problems. This solar combisystem has been installed in a 180 m2 private residence. An experimental study, which has started 18 months ago, shows that the process is operational. The total electric consumption of the process (heat pump's compressor, domestic hot water extra heating, circulation pumps) has a value of 26 kWh/m² for the two heating seasons. The experimental study shows that the injection of heat into the ground has low impacts on the yearly energy balance of the process. Simulations of the numerical model of the process, developed with the TRNSYS software, shows that combined solar thermal collector with ground-coupled heat pump is not interesting for individual houses in term of performances. Nevertheless, using solar energy to reinject heat into the ground is a good solution for public buildings and tertiary sector for which the borehole heat exchangers concentration in the ground is more important. The process has been simulated in a public building (36 apartments, 96 occupants). These simulations show that if the solar heat injected into the ground is fewer than 45% of the heat extracted, there is a risk to freeze the water contained in the refill material and in the ground. If the cooling function of the heat pump is not used, 300 m² of solar thermal collectors allow to reinject into the ground 78% of the heat extracted and the risk of freezing is avoided. This surface of solar thermal collectors allows to stabilize the long term performances of the heat pump (diminution of the heat pump's COP of 6% after 20 years). This surface is oversized by 3 with respect to the domestic hot water requirements alone

Ce travail presente une contribution a la reconnaissance des chemins d'ecoulements des fluides du granite sain du futur echangeur geothermique de type roches chaudes seches de soultz-sous-forets. L'etude macroscopique et microscopique du granite a ete rendue possible par le developpement de plusieurs logiciels de traitement et d'analyse d'images 2d. A l'echelle de la carotte, une nouvelle methode de saisie des images est proposee ; elle permet d'obtenir une representation bidimensionnelle de la distribution spatiale des 4 mineraux primaires du granite. L'analyse de ces images macroscopiques determine le taux de regroupement des cristaux d'une meme espece minerale, et quantifie la distribution spatiale des joints de grains. Les chemins d'ecoulement intragranulaires des deux especes minerales les plus connectees (quartz et plagioclase) sont etudies en microscopie optique et electronique par analyse d'image. Les resultats de ces quantifications contraignent les modeles de chemins d'ecoulement dans le plagioclase a une geometrie tubulaire. La correlation de ces resultats avec des mesures physiques de surface d'echange geochimique et de permeabilite montre que le plagioclase developpe une surface d'echange geochimique elevee vis-a-vis du quartz, et precise la geometrie 3d des reseaux d'ecoulement associes aux joints de grains et aux micropores des plagioclases. Par rapport au contexte de geothermie roches chaudes seches, ce travail permet une meilleure definition des chemins d'ecoulement dans le granite non altere, et ouvre d'interessantes perspectives dans d'autres domaines, tels le stockage des dechets nucleaires en milieu granitique

Il est important de connaître la conductivité thermique du sol ainsi que l’amplitude et l’orientation de la vitesse des écoulements souterrains lors du dimensionnement d’un champ de puits géothermiques. Ce mémoire présente la méthodologie et les conclusions d’une analyse numérique d’un nouveau concept de test de réponse thermique (TRT) pour échangeurs de chaleur géothermiques verticaux. Cette configuration de TRT permet de mesurer à la fois les propriétés hydrauliques du sol et ses propriétés thermiques. Le but premier du mémoire est de vérifier la validité du concept pour ensuite développer une méthode de résolution permettant d’estimer, à partir de la réponse thermique lors du TRT, la conductivité thermique du sol ainsi que la norme et l’orientation de la vitesse des écoulements souterrains. Pour ce faire un modèle numérique de puits a été construit avec la méthode des éléments finis afin d’effectuer des simulations numériques de la réponse thermique dans diverses conditions. À partir de ces simulations, il a été possible de démontrer le potentiel du concept de TRT et d’élaborer des méthodologies pour retrouver les propriétés désirées. Une méthode de résolution graphique est d’abord présentée. Dans un second temps, le formalisme des problèmes inverses est appliqué afin d’obtenir une deuxième méthode de mesure des paramètres du sol. Les résultats montrent que le TRT proposé permet de retrouver ces paramètres dans la plupart des scénarios envisagés.
It is important to know the subsurface thermal conductivity and the groundwater flow parameters (i.e. its velocity and orientation) when sizing a geothermal borefield. This master’s thesis presents a methodology and the conclusions of a numerical analysis of a novel thermal response test (TRT) concept for vertical geothermal heat exchangers. This configuration of TRT is able to measure both the hydraulic and the thermal properties of the ground. The main objective behind this work is to validate the concept and then to develop an efficient methodology to obtain from the thermal response of the TRT an estimation of the ground thermal conductivity along with the velocity and the orientation of groundwater flows. To achieve this, a numerical model of borehole was built using the finite element method. This model was then used to simulate the thermal response for various conditions. From these simulations, it has been possible to demonstrate the potential of the concept and to elaborate methodologies to find the desired properties. A graphical method is first presented. Following that, inverse problem techniques were applied to get a second measurement methodology. Results show that the suggested TRT is able to find the parameters in most of the cases.

Une modélisation numérique des transferts de chaleur et de masse conduit à simuler l’évolution du champ thermique dans un réservoir géothermique profond en exploitation. L’interaction entre la convection libre et l’écoulement forcé dans le réservoir est considérée. En considérant une large gamme de débits d’injection et de nombres de Rayleigh, nous montrons qu’il existe un débit d’injection critique au-delà duquel l’exploitation géothermique n’est plus rentable car sujette à une chute prématurée de la température de récupération du fluide. Cette étude permet ainsi de contraindre les conditions permettant une extraction optimale de la chaleur durant l’exploitation future de l’usine géothermique de Soultz-sous-Forêts. Nos travaux sont complétés par l’étude des interactions chimiques entre le fluide et la roche durant le transfert du fluide injecté dans le réservoir. Les bilans réactionnels mettent en évidence un risque probable de colmatage du réseau fissuré durant l’exploitation.

Les phyllosilicates hydratés tels que les argiles sont à ce jour mal contraints thermodynamiquement. Leur domaine de stabilité, est mal connu ; il est même inexistant pour certains auteurs, pour qui les argiles sont métastables. Nous utilisons un protocole expérimental dans lequel une succession d'équilibres locaux entre un fluide et des minéraux en précipitation se met en place le long d'un gradient thermique. Les expériences ont été menées dans les systèmes chimiques : Mg-Al-Si-H2O (MASH), K-Al-Si-H2O (KASH), et K-Mg-Al-Si-H2O (KMASH). Les séquences de cristallisation observées le long du gradient thermique sont les mêmes lorsque les capsules contenant le matériel de départ sont interverties par rapport au gradient thermique. Les séquences de cristallisation sont bien l'expression d'un équilibre local. On observe, avec l'augmentation de température (de 200 à 350ʿC), les successions suivantes : smectite dioctaédrique ? smectite trioctaédrique ; kaolinite ? donbassite ? chlorite trioctaédrique ; smectite ? illite ? muscovite ; ou encore kaolinite ? illite + smectite ? donbassite ; successions communément observées dans les systèmes hydrothermaux. Ces séquences permettent de développer un modèle thermodynamique des phyllosilicates hydratés qui tient compte de l'évolution de leur état d'hydratation en fonction de la température. Ce modèle met en évidence les champs de stabilité des argiles entre 200 et 300ʿC. Le dynamisme chimique et minéralogique mis en évidence dans ces systèmes expérimentaux est utilisé pour rendre compte des dissolutions/précipitations pouvant avoir lieu entre le fluide chaud et les épontes de granite dans le site de géothermie de Soultz-sous-Forêts, dont la pérennité dépend des éventuels changements de morphologie du réseau poreux lié à la fracturation. Les feldspaths et les smectites forment l'ensemble du volume des silicates qui risquent le plus de précipiter, en plus des carbonates déjà décrits dans des études antécédentes
Thermodynamic data of hydrated phyllosilicates, in particular clay minerals are not well known. The stability fields of these minerals are not well determined; following some authors they even do not exist. We have developed an experimental approach, in which a sequence of local equilibrium states between a fluid and minerals take place in a closed gold cell along a strong thermal gradient. The experiments were conducted in the chemical systems : Mg-Al-Si-H2O (MASH), K-Al-Si-H2O (KASH), and K-Mg-Al-Si-H2O (KMASH). The sequences of crystallization observed along the thermal gradient are the same if one exchanges the position of the cells containing the initial reacting materials with respect to the thermal gradient end-members. The crystallization sequences correspond to local equilibrium states. Following the temperature increase (from 200 to 350ʿC) one observes the following sequences : dioctahedral smectite ? trioctahedral smectite; kaolinite ? donbassite ? trioctahedral chlorite; smectite ? illite ? muscovite ; or even kaolinite ? illite + smectite ? donbassite ; commonly observed in hydrothermal systems. They allow to develop a thermodynamic model for hydrated phyllosilicates, taking into account their hydration state as a function of temperature. This model shows the stability fields of clay minerals between 200 and 350ʿC. The chemical and mineralogical dynamics showed in these experimental systems has been applied to predict the possible dissolutions and/or precipitations which may take place between the circulated hot fluid and the geothermal granitic reservoir in the geothermal system at Soultz-sous-Forêts. These processes may affect the duration of the geothermal reservoir, as a function of evolution in the morphology of the porosity. Our experimental approach shows that feldspars and smectites are forming the major part of the total volume of silicates which may precipitate in addition to carbonates already described in previous studies

Le champ géothermique de Los Humeros se localise dans un centre volcanique complexe du type caldera, d'âge tertiaire-récent. Le but de ce travail est d'établir les conditions de formation des minéraux d'altération, leur corrélation avec l'existence des fluides mixtes actuels (eau-vapeur) et leur comportement à travers le temps. Ce travail est divisé en quatre parties. La première partie est consacrée à l'étude pétrographique et chimique des formations volcaniques du site, ainsi qu'a la caractérisation des principaux minéraux d'altération. Il existe une intercalation d'andésites et de rhyolites, avec une distribution des altérations en fonction de la température, de la roche et du fluide. Dans la deuxième partie, nous voyons que les divers géothermomètres cationiques indiquent que la température du réservoir varie de 280 à 310c, mais que la concentration des cations d'alcalin met en évidence l'absence d'équilibre chimique eau-roche, donc il existe un mélange des fluides et un excès de vapeur très important. La troisième partie est consacrée à l'étude cristallochimique des phases d'altération. Ainsi, la chimie des altérations est comparable à celle des autres systèmes géothermiques, mais la variation de certains éléments chimiques est une fonction de la température, de la fugacité de l'oxygène et du type de roche. La dernière partie montre que la composition isotopique du soufre des pyrites hydrothermales est comparable à celle des fluides actuels, mais avec des variations locales en fonction des conditions physicochimiques des fluides

Le travail décrit dans cette thèse a pour principal objectif de développer un modèle numérique pour l'étude du comportement hydromécanique d'une fracture rocheuse. Pour ce faire, nous proposons en premier lieu trois modèles numériques concernant la géométrie d'une fracture, l'écoulement hydraulique dans la fracture et la déformation de la fracture sous contrainte normale. Ces trois modèles discrétisent de la même manière le plan d'une fracture en éléments rectangulaires identiques, donc ils utilisent donc un maillage commun pour les calculs numériques. Le calcul hydraulique dans une fracture se fait par la discrétisation du vide de la fracture, la loi de la conservation de la masse est appliquée a chaque élément du modèle. La déformation mécanique de la fracture est calculée avec la méthode des éléments frontières en supposant que la fracture se trouve dans un milieu élastique et infini dans l'espace. Ensuite, pour associer le modèle hydraulique au modèle mécanique, nous présentons un processus de couplage qui nous conduit a la réalisation d'un code numérique (cohm3d), qui permet d'étudier d'une façon numérique le comportement couple hydromécanique d'une fracture rocheuse sous contrainte normale. Des calculs de vérification du modèle hydraulique et du modèle mécanique vont être effectues. Une étude d'application va être également présentée pour modéliser le comportement hydromécanique des fractures de géométrie différente sous contrainte normale

L'etude vise a preciser et a synthetiser le comportement hydrodynamique d'un systeme geothermal actif. Des pompages de courte et de longue duree ont ete realises dans un doublet de forages profonds de 500 et 1400 m. La synthese de ces essais permet de definir un modele de fonctionnement hydraulique a l'echelle des forages. Le suivi de la piezometrie des forages pendant une annee a montre que le domaine est forme de la superposition de plusieurs systemes aquiferes reliee entre eux par des ecoulements soit d'origine superficielle, soit d'origine profonde

Les phyllosilicates hydratés tels que les argiles sont à ce jour mal contraints thermodynamiquement. Leur domaine de stabilité, en particulier vis-à-vis de la température, est mal connu ; il est même inexistant pour certains auteurs, pour qui les argiles sont métastables. Nous utilisons un protocole expérimental dans lequel une succession d'équilibres locaux entre un fluide et des minéraux en précipitation se met en place le long d'un gradient thermique (Goffé et al., 1987). Nous obtenons ainsi une succession de minéraux néoformés à l'équilibre avec le fluide et la température, desquels nous déduisons les champs de stabilité thermique des différents assemblages minéralogiques. Les expériences ont été menées dans des systèmes chimiques simples : Mg-Al-Si-H2O (MASH), K-Al-Si-H2O (KASH), et K-Mg-Al-Si-H2O (KMASH). Les séquences de cristallisation observées le long du gradient thermique sont les mêmes lorsque les capsules contenant le matériel de départ sont interverties par rapport au gradient thermique. Cette « réversibilité » des expériences montre que les séquences de cristallisation sont bien l'expression d'un équilibre local. On observe, avec l'augmentation de température (de 200 à 350°C), les successions suivantes : smectite dioctaédrique → smectite trioctaédrique ; kaolinite → donbassite → chlorite trioctaédrique ; smectite → illite → muscovite ; ou encore kaolinite → illite + smectite → donbassite ; successions minéralogiques communément observées dans les systèmes hydrothermaux. Ces séquences expérimentales permettent de développer un modèle thermodynamique des phyllosilicates hydratés qui tient compte de l'évolution de leur état d'hydratation en fonction de la température. Ce modèle permet de mettre en évidence les champs de stabilité des argiles entre 200 et 300°C. Le dynamisme chimique et minéralogique mis en évidence dans ces systèmes expérimentaux est utilisé pour rendre compte des dissolutions/précipitations pouvant avoir lieu entre le fluide chaud et les épontes de granite dans le site de géothermie (Roche Chaude Fracturée) de Soultz-sous-Forêts, dont la pérennité dépend des éventuels changements de morphologie du réseau poreux lié à la fracturation. On constate expérimentalement que les feldspaths et les smectites forment l'ensemble du volume des silicates qui risquent le plus de précipiter, en plus des carbonates déjà décrits dans des études antécédentes et dont nous nous sommes affranchis dans cette étude.

Comprendre les circulations des fluides dans les bassins sédimentaires joue un rôle crucial dans les divers domaines des ressources naturelles. Dans cette thèse, une approche géochimique est développée pour caractériser la géochimie des eaux souterraines actuelles et pour étudier les réactions affectant un système sédimentaire, en prenant le bassin de Grenade comme cas d'étude. La composition isotopique de l'hélium des gaz libres et dissous a été étudiée afin de contraindre la structure lithosphérique de la région. La composition isotopique de He montre une composante radiogénique dominante avec une contribution mantellique atteignant 1 %. L'évaluation des mécanismes de transport de l'He montre que la croûte est actuellement dissociée du manteau. Nous proposons donc que l’He mantellique observé pourrait résulter d’une contribution fossile du manteau associée à une production crustale à partir de roches riches en Li. Les interactions eau-roche dans les Cordillères Bétiques ont été étudiées en caractérisant les systèmes géothermaux de faible et moyenne enthalpie. Cette étude montre une relation étroite entre la température et la pCO2 dans le réservoir et met en évidence le rôle des tampons minéraux du remplissage sédimentaire et du socle sur la réactivité du CO2. L’étude plus approfondie de la réactivité dans le bassin de Grenade permet de mieux comprendre les écoulements à l’échelle de l’ensemble du bassin. L'évolution de la saturation des eaux vis-à-vis des carbonates, des alumino-silicates et des sulfates permet d'évaluer les chemins possibles d’écoulement dans le bassin et d'appréhender un modèle conceptuel de transport réactif
Understanding fluid circulations in sedimentary basins plays a critical role in the diverse fields of energy and natural resources. In this thesis, a geochemical approach is developed to characterize the present-day groundwater geochemistry and to investigate the reactions affecting a sedimentary system, taking the Granada Basin as a regional study case. Helium isotopic composition of bubbling and dissolved gases has been investigated to set constrains on the lithospheric structure of the area. We found that the He isotopic composition has a dominant radiogenic component with a mantle-derived He contribution reaching mainly 1 %. The evaluation of helium transport mechanisms shows that the crustal system is currently dissociated from the mantle system. We therefore propose that the observed mantle-derived He could result from fossil mantle contribution associated to crustal production from Li-rich rocks. Water-rock interactions in the Central Betic Cordillera have been investigated by characterizing the low- to medium-enthalpy thermal systems. This study, combining geothermometrical methods, shows a strong relationship between the temperature and the pCO2 in the reservoir and highlights the role of the potential mineral buffers of both the sedimentary infilling and the basement on the reactivity of CO2. Further investigations on the reactivity within the Granada Basin allow us to give insights on the groundwater flows at the scale of the whole basin. The evolution of the groundwater saturation with respect to carbonates, alumino-silicates, and sulfates allows to assess the possible flow paths in the basin and to apprehend a conceptual reactive transport model

Dans le cadre de la thématique consacrée à la transition énergétique, le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) travaille sur la géothermie profonde. Cette thèse se focalise sur l’étude de l’encrassement des échangeurs de chaleur de surface et plus spécifiquement sur la modélisation et la simulation de l’évolution d’un dépôt. L’encrassement conduit à des pertes d’efficacité et nécessite la mise en place de moyens de prévention ou de nettoyage, entraînant d’importants surcoûts. Le modèle général proposé décrit des réactions hétérogènes entre deux phases multi-constituantes, l’une liquide et l’autre solide. La phase liquide est une solution contenant des ions dilués dans un solvant, tandis que le solide est composé de constituants immobiles. L’électro-migration des espèces est prise en compte dans la description. L’interface entre les deux phases est le siège de multiples réactions hétérogènes. Les conditions aux limites faisant intervenir la vitesse de l’interface permettent le couplage complet entre les deux domaines. Ce modèle général est ensuite appliqué au cas particulier de l’encrassement d’un tube par formation de sels et résolu à l’aide de Comsol Multiphysics. La simulation d’un cas simplifié d’encrassement par le sulfate de baryum a permis d’analyser la phénoménologie de la croissance du dépôt et de mettre en évidence les effets des évolutions de la solubilité et de la cinétique via la chute de température dans le tube, ainsi que de la mobilité radiale des espèces par diffusion qui limite la croissance. L’électro-migration participe significativement au transport mais n’influence pas l’épaisseur du dépôt. L’hypothèse d’une réaction de cristallisation de la barytine instantanément équilibrée conduit à une forte surestimation de l’encrassement. La composition de l’eau est ensuite complexifiée afin d’étudier l’influence de la présence du chlorure de sodium à 1 mol.L-1, puis d’ions strontium et ainsi la co-précipitation de barytine et de célestine
In the framework of the theme devoted to the energy transition, the “Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés” (LaTEP) is working on deep geothermal energy. This thesis focuses on the study of the fouling phenomenon of surface heat exchangers and more specifically on the modelling and the simulation of the evolution of a deposit. Fouling leads to loss of efficiency and requires means of prevention and cleaning, leading to huge over-costs. The proposed general model describes heterogeneous reactions between two multi-component phases, one liquid and the other solid. The liquid phase is a solution containing ions diluted in a solvent, while the solid is composed of immobile constituents. Transport by electro-migration is taken into account in the description. At the interface between the two phases, multiple heterogeneous reactions occur. The boundary conditions involves the interface’s velocity and allow a complete coupling between the two domains. This general model is then applied to the particular case of fouling of a pipe by salt formation and is solved using Comsol Multiphysics. Simulation of a simplified case of fouling from barium sulfate allowed an analysis of the phenomenology of the deposit growth. It highlights the effects of changes in solubility and kinetics caused by the temperature drop in the tube, as well as the effect of radial mobility of the species by diffusion, limiting the growth. Electro-migration contributes significantly to transport but does not influence the thickness of the deposit. The hypothesis of an instantly balanced barite crystallization reaction leads to an overestimation of the fouling. In a second time, more species are added to the water’s composition in order to study the influence of the presence of sodium chloride at 1 mol.L-1. Finally, the addition of strontium ions leads to co-precipitation of barite and celestine

Pour la climatisation de bâtiments ou d’installations industrielles, les nappes d’eaux superficielles représentent une source de frigories très convoitée. Leurs exploitations intensives depuis plusieurs dizaines d’années conjuguées au redéploiement de la filière géothermique ces dernières années, soulèvent des préoccupations quant à la préservation des ressources en eau. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l’impact de variations locales de température sur la qualité physico-chimique et microbiologique des eaux souterraines sur la base (i) de suivis in-situ au niveau de 3 installations réelles exploitant les nappes d’eaux superficielles et, (ii) d’expérimentations sur un pilote (BIOTHERMEX) permettant de reproduire, en conditions parfaitement maitrisées, l’effet de la propagation d’un panache thermique dans un modèle réduit d’aquifère. Dans la gamme de température relevée sur site, les principaux résultats obtenus montrent que les impacts thermiques sont circonscrits au voisinage immédiat de l’installation, pouvant altérer jusqu’à plus d’une dizaine de degrés la sténothermie des nappes. Le suivi des paramètres physico-chimiques n’ont pas fait apparaitre de perturbations significatives sur la période de surveillance, constat étayé par des modélisations hydrogéochimiques. En revanche, une influence significative a été relevée au niveau des principaux descripteurs microbiologiques (activité, diversité de la microflore totale). Enfin, les expériences menées à l’échelle du laboratoire ont permis d’appréhender finement le comportement réactionnel du système et de définir une température de réinjection critique, au-delà de laquelle des désordres potentiels sont attendus
The use of shallow groundwater as heat source for heat pump is very coveted for air-conditioning of building or industrial facilities. Their intensive use during many years combined with the redeployment of the geothermal industry these last years, raise concerns about the safeguarding of the water resources. In such a context, the present study aims to evaluate the impact of local variations of temperature on the physicochemical and microbiological quality of groundwater systems on the basis of (I) field investigation and, (II) experiments on a pilot (named BIOTHERMEX) making it possible to reproduce, in perfectly supervised conditions, the effect of the propagation of a thermal plume in a reduced aquifer model. Within the temperature recorded on site, principal outcomes showed that thermal impacts are confined in the immediate vicinity of the installation, and were able to deteriorate, up to about ten degrees, the stenothermy of the groundwater systems. The evolution of the physicochemical parameters did not reveal any significant disturbances over the monitoring period, this being also predicted by hydrogeochemical modeling. On the other hand, a significant influence was raised about some microbiological indicators-descriptors (namely activity, diversity of the total microflora). Lastly, the experiments undertaken on the laboratory scale made it possible to finely apprehend the reactional behavior of the system and to define a critical temperature of re-injection beyond which, potential disorders are expected

Ce mémoire de maîtrise introduit une nouvelle méthodologie de conception et d’optimisation techno-économique de systèmes géothermiques qui tient compte des écoulements souterrains. Une revue de littérature est complétée et la problématique est définie en s’appuyant sur les manques à combler au niveau des procédures de dimensionnement actuelles. La nouvelle procédure de dimensionnement inclut, entre autre, les données hydrogéologiques, les charges thermiques du bâtiment et les coûts du système géothermique. De plus, elle améliore les méthodologies actuelles en incluant une approche analytique pour la modélisation des écoulements souterrains lors de la simulation du champ de puits géothermiques. La méthodologie de recherche est présentée, y compris la stratégie d'optimisation, les fonctions G utilisées lors de la simulation énergétique et les défis rencontrés au cours de cette maîtrise. Les fonctions G sont calculées avec deux modèles analytiques: source cylindrique infinie et source linéique finie mobile. Une nouvelle simplification mathématique pour l'intégration des fonctions G dans la routine d'optimisation est démontrée, ce qui permet de réduire considérablement le temps de calcul (jusqu'à 25%), en plus de constituer un nouvel ajout aux méthodologies actuelles utilisant des fonctions G. Les procédures de test et l'analyse de la convergence sont également discutées. La nouvelle méthode de dimensionnement comprend le calcul des coûts initiaux et opérationnels. Des variables de conception optimales (profondeur de forage, distance entre les trous de forage consécutifs, etc.) et des aménagements de champ de puits (nombre de puits dans la direction x) sont présentés pour différentes valeurs de conductivité thermique du sol et de vitesse d’écoulement des eaux souterraines. En outre, une étude paramétrique est réalisée pour mesurer l’impact de l’écoulement des eaux souterraines par rapport au champ de puits sur l'aspect économique du projet. Une comparaison simultanée des coûts initiaux et opérationnels est également effectuée, ce qui permet de fournir des notions intéressantes pour les processus de conception à critères multiples. Enfin, les conceptions optimisées sont testées en dehors des conditions d’opération nominales.
This master’s thesis introduces a new sizing methodology for ground coupled heat pump (GCHP) systems which takes into account groundwater flow in order to achieve a technoeconomic optimization of the total cost of the project. A literature review is presented and the problem is defined in order to show missing elements from current GCHP sizing procedures. The new sizing procedure includes hydrogeological data, building thermal loads, and GCHP system costs, while improving actual design methodologies by including an analytical approach for groundwater flow in the heat transfer simulation of the borefield. The research methodology is presented, including the optimization strategy, the G-functions used during energy simulations, and the challenges encountered during this master’s degree. The G-functions are calculated with two analytical models: infinite cylinder source (ICS) and moving finite line source (MFLS). A new mathematical simplification for the integration of G-functions in the optimization routine is derived, which considerably reduces computational time (by up to 25%) and is a new addition to current methodologies using G-functions. Testing procedures and a convergence analysis are also discussed. The new sizing methodology includes the calculation of the initial and the annual operational costs. Optimal design variables (borehole depths, distance between consecutive boreholes, etc.) and borefield layouts (number of boreholes in the x -direction) are presented for different values of ground thermal conductivity and groundwater velocity. In addition, a parametric study is done to measure the impact of the groundwater flow velocity and angle with respect to the borefield on the economics of the project. A simultaneous comparison of the initial and operational costs is also completed, as it can provide interesting insights for multi-criterion design processes. Finally, optimized designs are tested under off-design operating conditions.

Etude de 74 eaux thermominerales et d'environ 200 eaux superficielles. Les eaux superficielles sont regroupees en trois types distincts: chlorurees, sulfatees et bicarbonatees. Les eaux thermominerales constituent 5 groupes qui se distinguent par leurs compositions chimiques et leurs situations geologiques differentes. L'application directe des geothermometres chimiques est impossible dans des nombreux cas; on teste donc la validite des temperatures estimees en modelisant la composition de chaque eau a l'equilibre avec une sequence de mineraux habituels des reservoirs geothermaux a la temperature estimee

Cette thèse est une contribution à la connaissance des impacts, quantitatifs et qualitatifs, liés à la déprise minière de la région d'Alès. Le travail a consisté en l'analyse et l'interprétation de données quantitatives et qualitatives des eaux d'émergences des anciennes mines de charbon du bassin alésien afin de connaître la composition chimique des eaux d'émergences et de l'expliquer. Pour cela, nous avons utilisé des Analyses en Composantes Principales (ACP), des diagrammes de Piper et de Schoeller-Berkalov sur l'ensemble des émergences. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une analyse de l'évolution temporelle des concentrations de chaque élément pour les émergences où les données sont disponibles. L'aspect quantitatif est étudié grâce à une synthèse des connaissances disponible sur le réservoir minier de Fontanes (géologie, répartition spatiale, données de pompage et de niveaux piézométriques).
Certaines émergences présentent une qualité qui rend impossible leur rejet direct dans l'environnement et il est important dans cette situation de bien définir la masse d'eau concernée. Pour cela, nous avons élaboré un modèle hydrodynamique par automates séquentiels. Il est appliqué aux anciens travaux de Rochebelle-St-Martin, aboutissant à la détermination des paramètres perméabilité et épaisseur du réservoir par reconstitution du niveau piézométrique du réservoir tout en tenant compte d'un pompage encore maintenu dans l'exploitation. Cette modélisation permet de mieux connaître les paramètres définissant l'aquifère minier dans la perspective d'exploiter cette réserve. Ces eaux de mines présentent une qualité médiocre. A partir d'une meilleure connaissance hydrodynamique du système, obtenue par la modélisation, il devient possible de proposer une valorisation de cette eau par utilisation de ses calories en géothermie connaissant la géométrie du réservoir minier. Les anciennes exploitations minières sont à nouveau source d'énergie.

Cette thèse est une contribution à la connaissance des impacts, quantitatifs et qualitatifs, liés à la déprise minière de la région d’Alès. Le travail a consisté en l’analyse et l’interprétation de données quantitatives et qualitatives des eaux d’émergences des anciennes mines de charbon du bassin alésien afin de connaître la composition chimique des eaux d’émergences et de l’expliquer. Pour cela, nous avons utilisé des Analyses en Composantes Principales (ACP), des diagrammes de Piper et de Schoeller-Berkalov sur l’ensemble des émergences. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une analyse de l’évolution temporelle des concentrations de chaque élément pour les émergences où les données sont disponibles. L’aspect quantitatif est étudié grâce à une synthèse des connaissances disponible sur le réservoir minier de Fontanes (géologie, répartition spatiale, données de pompage et de niveaux piézométriques). Certaines émergences présentent une qualité qui rend impossible leur rejet direct dans l’environnement et il est important dans cette situation de bien définir la masse d’eau concernée. Pour cela, nous avons élaboré un modèle hydrodynamique par automates séquentiels. Il est appliqué aux anciens travaux de Rochebelle-St-Martin, aboutissant à la détermination des paramètres perméabilité et épaisseur du réservoir par reconstitution du niveau piézométrique du réservoir tout en tenant compte d’un pompage encore maintenu dans l’exploitation. Cette modélisation permet de mieux connaître les paramètres définissant l’aquifère minier dans la perspective d’exploiter cette réserve. Ces eaux de mines présentent une qualité médiocre. A partir d’une meilleure connaissance hydrodynamique du système, obtenue par la modélisation, il devient possible de proposer une valorisation de cette eau par utilisation de ses calories en géothermie connaissant la géométrie du réservoir minier. Les anciennes exploitations minières sont à nouveau source d’énergie
This thesis is a contribution to the knowledge of the quantitative and qualitative impacts, linked to the abandonment of the mining works on Alès coal basin. This work consisted in analysis and interpretation of quantitative and qualitative data on the waters outflows of former coal mines in order to determine the chemical composition of groundwaters outflows and the water chemistry. For that, we used principal component analysis, diagrams of Piper and Schoeller-Berkalov on all waters outflows. Secondly, we analyzed the temporal evolution of concentrations of each element for the waters outflows. The quantitative aspect is therefore considered by the synthesis of knowledge available on the mining reservoir of Fontanes (geology, spatial distribution, pumping data and piezometrics levels). Some groundwaters outflows have a quality that makes their direct discharge into the environment impossible and it is important, in this situation, to define the affected body of the water. For that, we have developed a hydrodynamical model by sequential automaton. It is applied to the former works of Rochebelle-St-Martin de Valgalgues leading to the determination of the parameters permeability and thickness of mining aquifer recovery of piezometric level of the reservoir while taking into account a pumping still maintained. This model will lead to a better comprehension of the parameters defining the aquifer in the mining perspective to exploit this reserve. The mine water has a poor quality. After a better knowledge obtained by a hydrodynamical modeling, it becomes realistic to propose a recovery of this water by use of its calories from geothermal and knowing the geometry of the tank mine

Afin de modéliser le comportement des massifs de sols non saturés sur les plans mécaniques et des écoulements d’eau et d’air, on a adopté une loi de comportement incrémentale à variables indépendantes, reliant les incréments de déformations du sol aux variations des contraintes totales et des sucions, ainsi que des relations non linéaires entre, d’une part, les coefficients de perméabilité à l’eau et à l’air et, d’autre part, l’indice des vides et le degré de saturation. Dans un premier temps, le sol est supposé élastique et la non linéarité est uniquement hydraulique (eau et air). L’application du principe des travaux virtuels et de la méthode des éléments finis à ce problème le ramène à la résolution d’un système non linéaire et non symétrique. Le traitement numérique de ce système conduit d’une part à l’introduction d’éléments finis bidimensionnels de consolidation des sols non saturés dans le code général de calcul par éléments finis CESAR-LCPC et, d’autre part, à la mise au point d’un algorithme itératif de résolution et à la programmation dans CESAR-LCPC d’un nouveau module de résolution pour la consolidation des sols isotropes non saturés, appelé CSNS. Dans un deuxième temps, le sol est supposé élastoplastique et la non linéarité devient à la fois hydraulique (eau et air) et mécanique (déformabilité). La résolution de ce problème a nécessité d’abord l’extension des propriétés numériques des éléments finis précédemment mis au point dans le module CSNS par la création d’un nouveau modèle de comportement élastoplastique appelé MEINOS, dont la mise au point a nécessité la combinaison de la méthode de rigidité variable pour le traitement des non linéarités hydrauliques (eau et air) et de la méthode des contraintes initiales pour le traitement de la non linéarité mécanique (déformation). La modélisation effectuée et sa programmation dans CESAR-LCPC, qui tient compte entre autres des conditions initiales et aux limites, ont été testées sur des maillages unidimensionnels et bidimensionnels. Les résultats numériques des exemples de calcul montrent que la loi de comportement adoptée et le couplage des déformations et des écoulements d’eau et d’air fournissent des résultats encourageants tant du point de vue mécanique que du point de vue hydraulique
For modelling the mechanical and air/water flow behaviour of unsaturated soils, an incremental law relating the soil deformation to the variations of both total stresses and suctions was adopted, in addition to non-linear relationships between the water and air permeabilities and the void ratio and the degree of saturation. As a first step, the soil was assumed to be elastic, and non-linearity was introduced only for water and air flows. The application of the principle of virtual works together with the finite element method lead to solving a non-linear and non-symmetric system. The numerical solution of this system was achieved by (1) implementing two-dimensional consolidation elements for unsaturated media within the multipurpose finite element program CESAR-LCPC and (2) developing an iterative algorithm for solving the non-symmetric system of equations, as part of a new subroutine, named CSNS, which was introduced in the program CESAR-LCPC to handle consolidation of isotropic unsaturated soils. In the second stage of development, the soil was assumed to be elastoplastic, which means that both mechanical and hydraulic (water and air) non-linearities were considered. This required to extend the capabilities of the consolidation subroutine CSNS, by the introduction of a new elastroplastic consitutive model, named MEINOS ; the implementation of this model required the combination of the variable stiffness method for solving hydraulic (water and air) non-linearities and of the initial stress method for solving mechanical (strain) non-linearities. The model, and its implementation in the program CESAR-LCPC were tested on one-dimensional and two-dimensional meshes. The numerical results obtained from the analysis of sample problems showed that the constitutive law used in this model together with coupling the mechanical and hydraulic behaviour could produce encouraging answers from both a mechanical and hydraulic point of view

Pour la climatisation de bâtiments ou d'installations industrielles, les nappes d'eaux superficielles représentent une source de frigories très convoitée. Leurs exploitations intensives depuis plusieurs dizaines d'années conjuguées au redéploiement de la filière géothermique ces dernières années, soulèvent des préoccupations quant à la préservation des ressources en eau. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l'impact de variations locales de température sur la qualité physico-chimique et microbiologique des eaux souterraines sur la base (i) de suivis in-situ au niveau de 3 installations réelles exploitant les nappes d'eaux superficielles et, (ii) d'expérimentations sur un pilote (BIOTHERMEX) permettant de reproduire, en conditions parfaitement maitrisées, l'effet de la propagation d'un panache thermique dans un modèle réduit d'aquifère. Dans la gamme de température relevée sur site, les principaux résultats obtenus montrent que les impacts thermiques sont circonscrits au voisinage immédiat de l'installation, pouvant altérer jusqu'à plus d'une dizaine de degrés la sténothermie des nappes. Le suivi des paramètres physico-chimiques n'ont pas fait apparaitre de perturbations significatives sur la période de surveillance, constat étayé par des modélisations hydrogéochimiques. En revanche, une influence significative a été relevée au niveau des principaux descripteurs microbiologiques (activité, diversité de la microflore totale). Enfin, les expériences menées à l'échelle du laboratoire ont permis d'appréhender finement le comportement réactionnel du système et de définir une température de réinjection critique, au-delà de laquelle des désordres potentiels sont attendus.

Les simulations thermodynamiques (modele dissol) differencient les alterations hydrothermales et supergenes par la nature et la quantite des mineraux neoformes. En conditions lateritiques les parageneses naturelles: goethite, gibbsite, kaolinites et argiles 2/1 sont rencontrees. L'alteration hydrothermale des pyroxenes est liee a l'importance du systeme fissural. Les modelisations reproduisent ces transformations dependantes de la temperature qui se font plutot en systemes fermes. Les transferts de matiere se font a echelles tres reduites

Les doublets géothermiques sur aquifères superficiels jouent un rôle important en France pour le chauffage, le rafraichissement et la production d’eau chaude sanitaire des bâtiments. La pérennité de ces installations est cependant conditionnée par la possibilité de pouvoir garantir dans le temps la production puis la réinjection de l’eau souterraine. Le colmatage de la boucle géothermale est un problème majeur qui affecte de nombreuses installations sur l’ensemble du territoire français et remet en cause leur viabilité technico-économique. La compréhension et la prédiction de ce phénomène nécessite de nouveaux moyens de caractérisation et de modélisation des processus biogéochimiques couplés au fonctionnement des boucles géothermales dans des environnements de subsurface hétérogènes. Cette thèse a ainsi fait l’objet d’une nouvelle collaboration entre le laboratoire Géosciences Rennes et l’entreprise Antea group pour identifier les mécanismes à l’origine de ces phénomènes de colmatage et d’en caractériser les paramètres influents dans le but de construire un outil d’analyse des risques permettant l’anticipation de ces processus de colmatage. Le premier volet de la thèse expose la synthèse des typologies de colmatage (biogéochimique, chimique, biologique et physique). Cette synthèse est issue de l’étude de la littérature sur la problématique de colmatage des forages d’eau et des retours d’expérience concernant les doublets géothermiques recensés et étudiés durant cette thèse. Le second volet présente les inventaires régionaux des problématiques de colmatage recensées en France dans différents contextes hydrogéologiques. Ces inventaires ont permis de délivrer un état des lieux à grande échelle de la problématique de colmatage et d’étudier les contextes associés à chaque type de colmatage. Dans le troisième volet, de nouvelles méthodologies de caractérisation in-situ des phénomènes de colmatage biogéochimique liés à l’oxydation du manganèse et du fer sont présentées. Elles ont été développées dans le cadre de ces travaux de thèse à partir des investigations menées sur différents sites confrontés à des problèmes d’exploitation. Ces méthodologies d’investigations pluridisciplinaires couplent la mesure des propriétés hydrauliques, des concentrations en éléments chimiques et de la diversité microbienne afin d’identifier la problématique impactant le fonctionnement de l’installation et d’en définir in fine les causes. Le quatrième volet expose les résultats d’une campagne de terrain effectuée sur un doublet géothermique impacté par un processus de colmatage biogéochimique. Cette campagne a permis d’identifier les composantes clés de la réactivité biochimique impliquée dans le colmatage : distribution du flux, hétérogénéité chimique et diversité microbiologique. A l’aide du code de calcul PHREEQC, un modèle géochimique simulant les cinétiques de précipitation observées a été développé. Il permet l’étude quantitative des mécanismes biogéochimiques favorisant l’apparition rapide du colmatage. Enfin, les retours d’expériences de l’exploitation des doublets sur nappes superficielles ont démontré le besoin d’une méthodologie fiable d’analyse des risques, permettant d’anticiper l’apparition des processus de colmatage à chaque étape de la vie du projet. Ainsi, à partir de la synthèse de la littérature scientifique et technique et des conclusions des études menées durant cette thèse, les facteurs de risques d’apparition des phénomènes de colmatage ont été déterminés. L’analyse des risques de colmatage intégrant ces différents facteurs a été implémentée à travers l’élaboration de méthodes développées sous Python 3. L’outil ARCADE (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) a été conçu d’une part pour évaluer le risque et d’autre part pour informer l’utilisateur averti des bonnes pratiques et moyens préventifs. Ces bonnes pratiques d’analyse et de gestion préventive sont présentées dans le dernier volet de cette thèse
The sustainability of geothermal systems using shallow aquifers for heating, cooling and hot water production depends on the possibility to ensure, over long time-scales, the production and the reinjection of groundwater in the aquifer. Clogging of the geothermal loop is a major issue affecting the technical and economic viabilities of numerous operations in France. The understanding and prediction of this phenomenon requires new methods of characterization and modelling of biogeochemical processes coupled to the operation of geothermal loops in heterogeneous subsurface environments. This thesis is thus the result of a new collaboration between the Géosciences Rennes lab and Antea group to identify the mechanisms at the origin of clogging phenomena and characterize their controlling parameters, in order to establish a risk assessment tool allowing the anticipation of clogging processes. The first part of the thesis describes the main clogging processes (biogeochemical, chemical, biological and physical). This synthesis is the result of (1) the study of the literature dealing with the clogging of water wells and (2) our feedbacks on the geothermal doublets identified and studied during this thesis. The second part presents the regional inventories of shallow geothermal systems impacted by clogging problems identified in different hydrogeological contexts in France. These inventories provide a large-scale perspective of clogging phenomena and allow to study the contexts associated with each type of clogging processes. In the third part, new methodologies for the in-situ characterization of biogeochemical clogging phenomena linked to manganese and iron oxidation are presented through case studies of sites affected by clogging issues. These interdisciplinary studies couple the measurement of hydraulic properties, chemical element concentrations and bacterial diversity, to identify the specific issue impacting the operation and to define its causes. The fourth part presents the results of an interdisciplinary field campaign carried out on a geothermal doublet impacted by a biogeochemical clogging process. This campaign documented the key components involved in mixing induced biogeochemical reactivity: flow distribution, chemical heterogeneity and microbiological diversity. Using PHREEQC, a geochemical model simulating observed kinetics of precipitation was developed in order to quantitatively explore the biogeochemical mechanisms favoring rapid clogging. Feedback from shallow geothermal systems operation has demonstrated the need for a reliable risk analysis methodology that allowed to anticipate the apparition of clogging processes at each stage of the project life (part 5). From the synthesis of the scientific & technical literature and the conclusions of the studies carried out during this thesis, the risk factors for the appearance of clogging phenomena were determined. A clogging risk analysis integrating these factors was implemented through the development of methods developed under Python 3. The methodology of the ARCADE tool (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) is designed to assess the risk and to inform users of good practices and preventive methods. These good practices for analysis and preventive methods are presented in the last part of this thesis

Les amibes sont des organismes unicellulaires eucaryotes, de 10 à 300 µm, pouvant vivre sous forme parasite ou évoluer librement dans les sols et les milieux aquatiques ou encore adopter l’une ou l’autre forme en fonction de l’environnement. Certaines amibes libres sont hautement pathogènes pour les animaux et l’homme, en particulier Naegleria fowleri qui se développe dans les eaux naturellement chaudes à des températures comprises entre 27 et 45°C. Cette espèce est responsable d'une encéphalite généralement mortelle, la méningo-encéphalite amibienne primitive (MEAP), dont un cas a été recensé en Guadeloupe en 2008. Un enfant de 9 ans ayant contracté la maladie est décédé quelques jours après un bain dans les eaux chaudes de Dolé, sur la commune de Gourbeyre. Notre travail de Thèse à l’Institut Pasteur, en collaboration avec l’ARS, a permis d’initier un programme de recherche sur ces amibes pathogènes très peu connues sur notre territoire, afin de mieux évaluer le risque lié aux baignades dans les sources géothermales de la Guadeloupe. Nous avons développé et mis au point une méthode de détection et de dénombrement des amibes faisant appel à la biologie moléculaire qui est aujourd’hui appliquée en routine au sein de notre laboratoire. Depuis Janvier 2011, un suivi mensuel a révélé la présence des amibes thermophiles et de l’amibe pathogène dans presque tous les sites analysés (Ravine Chaude, Bains de La Lise et Bain du Curé à Pigeon, Bains Jaunes, Bain de Dolé, Bain de Capes, Bain des Amours, Bain de la rivière Grosse-Corde, Chute du Carbet, Bain de Morphy et Bain chaud de Matouba), à l’exception des eaux chaudes soufrées et/ou salées de Sofaïa et de l’Anse Thomas à Bouillante. Le séquençage des produits de PCR obtenus et déposés dans Genbank nous a permis de confirmer l’appartenance de cette souche de N. fowleri, au type 3 Euro-américain, identique à celui détecté lors de l’accident de 2008 (Moussa et al. 2013). Le nombre d’amibes pathogènes retrouvées varie de 2 à 30 amibes/litre selon les bains, sans dépasser la limite de 100 amibes/litre recommandée par les autorités sanitaires. En dépit de ces faibles concentrations, une surveillance régulière des bassins est nécessaire. Sur l’ensemble de l’année 2011-2012, l’espèce pathogène N. fowleri a été la plus fréquemment rencontrée par rapport aux espèces non pathogènes N. lovaniensis et Hartmanella sp. Ces données de surveillance ont amené l’ARS et les communes concernées à organiser une campagne de sensibilisation à destination des populations locales et touristiques, reposant sur l’installation de panneaux de prévention à proximité des principaux sites où N. fowleri a été retrouvée.La présence régulière de N. fowleri tout au long de l’année dans la plupart des bains chauds et notamment dans les bains les plus fréquentés, a orienté notre travail sur la recherche de l’origine de leur contamination. Nous avons découvert que les sources géothermales ne sont pas contaminées à leur émergence, mais que les amibes proviennent de la terre en amont des bassins. Ce résultat qui montre que le sol est le réservoir naturel des amibes, nous a permis de proposer aux collectivités un moyen de lutte efficace en canalisant l’eau depuis l’émergence jusqu’au bassin, sans passer par le sol
Amoebas are eukaryotic unicellular organisms, measuring from 10 to 300 µm, being able to live under a parasite form or to evolve freely in soils and aquatic media. They can even adopt either form depending of the environment. Some free living amoebas are highly pathogenic for animals and humans, especially Naegleria fowleri which develops in naturally hot waters at temperatures between 27 and 45°C. This species is responsible for an encephalitis generally lethal, the primary amoebic meningoencephalitis (PAM), a case of which occured in Guadeloupe in 2008. A 9-year-old child having contracted the disease, died a few days after a bath in the hot waters of Dolé, in Gourbeyre. Our Thesis at the Institut Pasteur of Guadeloupe, in association with the ARS, initiated a research program on these pathogenic amoebas poorly known in our territory, to better estimate the risk to contract the disease while bathing in geothermal recreational waters of Guadeloupe. We developed and worked out a method of detection and enumeration of amoebas using the molecular biology, which is currently applied in routine in our laboratory. Since January, 2011, a monthly monitoring of the baths revealed the presence of thermophilic free living amoebas and pathogenic amoeba in almost all the analyzed sites (Ravine Chaude, La Lise, Bain du Curé à Pigeon, Bains Jaunes, Bain de Dolé, Bain de Capès, Bain des Amours, Bain de la rivière Grosse-Corde, Chutes du Carbet, Morphy and the hot bath of Matouba), with the exception of sulphurated and/or salty hot waters of Sofaïa and the Anse-Thomas in Bouillante. The sequencing of the PCR products obtained were deposited in Genbank and confirmed that the Guadeloupean N. fowleri belonged to the Type-3 Euro-American, identical to that detected in the patient in 2008 (Moussa et al. 2013). The number of pathogenic amoebas varied from 2 to 30 amoebas / liter according to the baths, without exceeding the limit of 100 amoebas / liter recommended by the health authorities. In spite of this rather low concentration the baths require a regular surveillance. On the full year 2011-2012, the pathogenic species N. fowleri was the most frequently encountered species followed by N. lovaniensis and Hartmanella sp. These data of the surveillance led the ARS and the municipalities concerned to organize an awareness campaign destinated to the local and tourist population, based on the installation of prevention panels near the main sites where N. fowleri was found. The regular presence of N. fowleri during the year in most of the hot baths, especially the most frequented ones, leads us to look for the origin of their contamination. We discovered that geothermal springs are not contaminated at their emergence, but that amoebas come from the soil upstream the baths. This result which shows that soil is the natural reservoir of amoebas, allowed us to propose to the authorities effective means of prevention by installing pipes to carry the water from the emergence to the bath, without touching the soil

Le thermalisme algérien est caractérisé par une forte concentration des sources chaudes au Nord, généralement liées à de grandes fractures affectant profondemment les formations sédimentaires et parfois même le socle cristallin. Ces fractures sont souvent injectées d'évaporites triasiques. Leurs directions respectives sont NE -SW, NW - SE ou E -W limitant les grands ensembles géostructuraux. Deux différents faciès peuvent être reconnus: - Un pourcentage élevé de sources, jalonnant les grands accidents, ont un faciès chloruré ou sulfaté et sont souvent chaudes ( hyper ou mésothermales). -Un second groupe, lié aux massifs calcaires ou au socle, montre un faciès bicarbonaté calcique ou sodique. Ces sources sont parfois carbogazeuses. l'énérgie nécessaire au réchauffement provient principalement des grands réservoirs géothermiques (Bibans) et secondairement du gradient géothermique, des réactions exothermiques ou/et de l'activité séismique. les réservoirs sont carbonatés ou gréseux. le thermalisme algérien montre de grandes analogies avec celui des Alpes franco-italiennes, et plus particuliérement pour leurs relations avec les fronts de chevauchements limitant les grands ensembles géoostructuraux.

La caracterisation de l'agencement spatial des proprietes hydrauliques est essentielle pour predire les ecoulements et le transport des solutes dans les milieux heterogenes. Les methodes de tomographie hydraulique, principalement developpees pour estimer les proprietes des milieux poreux, n'ont qu'une faible r'esolution spatiale qui ne reflete pas la vraie heterogeneite des distributions de fractures des milieux fractures. Le principal objectif de cette these est de developper une nouvelle methode d'inversion specifique pour imager les proprietés hydrauliques et de transport des milieux fractures a l'echelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des experiences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modelisation inverse sont proposees, notamment en utilisant la temperature comme marqueur des ecoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'ecoulement bas'ee sur des tests s'equentiels de debimetrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caracteriser la connectivit'e des fractures ainsi que leur transmissivite. A partir de simulations numeriques reproduisant des cas d'etudes synth'etiques, nous montrons que l'approche par tomographie r'eduit significativement l'incertitude sur les parametres estimes, et fournit une caracterisation detaillee du reseau de fracture sans requerir a l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de temperature peuvent etre utilisees pour quantifier les ecoulements dans les milieux fractur'es. Le grand int'erˆet d'utiliser la temperature est d'obtenir facilement et de facon continue en puits des profils de temp'erature. En utilisant un mod'ele numerique d'ecoulement et de transfert de chaleur a l'echelle du puits, une methode d'inversion pour estimer les vitesses d'ecoulement dans le puits 'a partir des donnes de temperature est proposee. Nous couplons ensuite les deux approches presentees precedemment dans une nouvelle approche experimentale consistant en des enregistrements sequentiels de temperature dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en temperature sur le site de Stanger Brune montre des resultats encourageants pour l'identification du reseau global de connectivite et des zones d'ecoulement principales. Enfin, nous discutons de l'interet d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport 'a l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que realiser des tests de tracage thermiques en milieu fracture fournit des contraintes supplementaires importantes sur les propri'et'es de transport du milieu.