Répartition en Suisse et en France de Sorex araneus L., 1758 et de Sorex coronatus Millet, 1828 (Mammalia, Insectivora)

La répartition en Suisse et en France de Sorex coronatus et de Sorex araneus est étudiée au moyen de l'analyse ostéométrique des mandibules mise au point récemment (Hausser et Jammot, 1974). Nous discutons la mise en pratique de cette méthode. 1 101 exemplaires provenant de 207 localités ont été étudiés. Ces données s'ajoutent aux informations cytologiques obtenues antérieurement pour 65 localités. Les résultats indiquent que S. coronatus et S. araneus ne sont pas sympatriques, sauf éventuellement sur la frange nord-est de l'aire de répartition de la première espèce. Celle-ci semble progresser vers l'est et éliminer peu à peu S. araneus, sauf en montagne, où demeurent des populations isolées et, dans une moindre mesure, dans les lieux humides.

Caractérisation des taxons du genre Ornithogalum, sous-genre Heliocharmos (Hyacinthaceae), en Afrique du Nord et en France : analyse morphologique et biogéographique

Two species of Ornithogalum subg. Heliocharmos are present in North Africa: O. algeriense and O. kochii. These are often confused with O. umbellatum from Europe. Several populations covering the spread of variation of these species were studied biometrically using macromorphological characters. Multivariate analysis results suggest that O. kochii is close to the diploid cytotype of O. umbellatum. The diploid cytotypes are closer to the popyploid series of O. umbellatum than to O. algeriense. These results are discussed in relation to biogeography and evolution.

Crise économique et travail féminin : retour à l'ordre : l'offensive contre le travail des femmes dans les services publics en Suisse et en France durant les années 1930

Résumé : Crise économique et travail féminin : retour à l'ordre. L'offensive contre le travail des femmes dans les services publics en Suisse et en France durant les années 1930 La crise économique mondiale des années 1930 se caractérise par une véritable offensive contre l'activité professionnelle féminine dans les services publics. Dans l'ensemble des pays industrialisés, le travail des femmes fonctionnaires acquiert le statut d'enjeu économique, politique, social, familial et moral. La généralisation du chômage sous l'effet de la crise économique suscite d'âpres discussions sur la répartition des postes de travail et les femmes fonctionnaires endossent le rôle de bouc émissaire. Les gouvernements et autorités publiques des pays industrialisés plébiscitent dès lors, selon des modalités diverses, la « solution » d'une réglementation restrictive du travail des salariées des services publics. Cette thèse met en lumière un épisode de l'histoire de la « ségrégation ordinaire » entre les sexes dans le monde du travail. Elle montre que la segmentation et la hiérarchisation sexuées du travail ne reflètent pas des faits « naturels », mais qu'elles constituent l'aboutissement d'un long processus de différenciation engageant une multitude d'acteurs·trices sociaux·ales. Nous avons opté pour une histoire croisée de l'offensive contre l'activité des salariées de la fonction publique en Suisse et en France, en y intégrant un « détour » par l'analyse de la dimension internationale de cette campagne contre l'emploi féminin. Cette approche permet de revisiter l'histoire politique, sociale, culturelle, économique et financière propre à la Suisse et à la France des années 1930. La sexuation de l'histoire, soit la prise en compte des rapports entre les sexes dans et par le récit historique, l'éclairage novateur de l'histoire d'une nation sur l'autre, ainsi que la prise en considération de l'internationalisation de certaines pratiques (législatives et féministes), permettent de renouveler un cadre d'analyse et de proposer de nouvelles pistes de recherche sur l'histoire du travail et des féminismes. En premier lieu, ce travail analyse les modalités de la reconfiguration des rapports entre les sexes durant les années 1930, sous le prisme de l'activité salariée. Il détermine de quelle manière le travail des femmes fonctionnaires se constitue en « problème » à cette période et quels sont les termes de l'offensive contre les salariées des services publics en Suisse et en France, mais également sur le plan international. En deuxième lieu, le coeur de la recherche porte sur les incidences de l'offensive contre les femmes fonctionnaires en Suisse et en France. Nous montrons de quelle manière les gouvernements et les autorités publiques prennent appui sur les impératifs d'austérité budgétaire pour redessiner des lignes de démarcation entre « travail masculin » et « travail féminin » dans certains domaines bien spécifiques des services publics. En troisième lieu, cette contribution propose une lecture de l'histoire de la mobilisation féministe pour défendre le droit au travail des femmes fonctionnaires, mobilisation encore trop souvent occultée par les récits historiques traditionnels. Pour les sources consultées, l'étude de la manière dont le travail des femmes fonctionnaires se constitue en « problème » sur le plan international (partie I) repose sur les archives et les publications du Bureau international du travail. Quant à l'étude des cas nationaux (parties II et III), pour chaque pays, trois types de sources ont été dépouillés : les archives des associations féministes investies dans la défense du droit au travail féminin ; les sources publiées ayant trait à l'offensive contre le travail féminin (rapports, actes de journées d'étude, organes de presse) ; les sources officielles législatives qui entérinent le processus de ségrégation sexuée dans les emplois publics.

Une européanisation des politiques de conciliation de la vie familiale et professionnelle? : les cas de l'Italie et de la France

Les différents pays membres de l'UE connaissent des politiques dites de « conciliation de la vie professionnelle et familiale » qui correspondent à un ensemble de dispositifs hétéroclites, plus ou moins complexes, mais rarement cohérents. Alliant des objectifs tels que la hausse de la natalité, la protection des mères et des enfants, l'égalité entre femmes et hommes, la lutte contre la pauvreté des enfants et des familles monoparentales et l'activation des femmes, ces politiques sont fortement ancrées dans des traditions nationales de politiques familiales, d'emploi et fiscales. Ces politiques portent en elles l'héritage et les tensions de l'histoire d'un pays. Au moment où un nouvel acteur international, l'Union européenne, intervient de manière de plus en plus explicite dans le débat et dans la définition de ces politiques, la présente étude tend à analyser l'influence exercées par les référentiels européens en matière de politiques de conciliation sur les discours et politiques nationales de l'Italie et de la France. A partir d'une analyse cognitive du processus d'européanisation, nous montrons que les référentiels développés au sein de l'UE, par leur caractère abstrait et flou, n'ont eu jusqu'ici qu'une faible influence sur les discours et politiques en Italie et en France. Croisant une perspective néo-institutionnaliste historique et discursive, notre recherche a été construite autour de deux axes de réflexion. Premièrement, il a été question d'analyser, d'une part, l'évolution du discours tenu par les différentes instances européennes (notamment de la Commission européenne, le Conseil européen et le Fonds Social européen) et, d'autre part, questionner comment un consensus a pu émerger entre des pays et des acteurs qui ont des traditions extrêmement différentes en matière de politique sociale, de politique familiale et de convention de genre. Deuxièmement, il a été question d'analyser si et comment un cadre de référence conçu au niveau communautaire a pu influencer les discours et politiques au niveau national. - The reconciliation of work and family life policies forms, in the EU's member States, a plurality of politics, more or less complex, but rarely coherent. Combining different objectives such as fertility increase, mothers and children protection, equality between men and women, fight against children and lone-parent families poverty and women activation, these policies are part of the national traditions of family, employment and tax policy and bear the heritage and the tensions of the country history. At a moment when a new global player, the European Union, interferes increasingly explicitly in the debate and the definition of reconciling work and family life policies, the question at the heart of this thesis was to define what kind of influence the référentiels of European discourses have on reconciliation policies since the late 1990s, in the Italian and French discourses and policies. Starting from a cognitive analysis of the Europeanization process, we show that the référentiels developed within the EU, by their abstract and vague nature, have had little influence in Italy and France. Crossing an historical and a discursive neo-institutionalist perspective, our research was based on two axes of reasoning. First, we have analysed, on the one hand, the evolution of various European institutions' discoursed (including the European Commission, the European Council and the European Social Fund) and, on the other hand, we have questioned how a consensus has emerged between countries and actors who have very different traditions in social policy, family policy and gender conventions. Secondly, we have observed if and how a framework developed at Community level, as a kind of ideal to strive for, has influenced discourses and policies at the national level.

Low dispersing species : population genetic processes in space and time : the genus "Trochulus" (Gastropoda: Hygromiidae) as a case study

RÉSUMÉ Une espèce est rarement composée d'une population unique. Parce que les individus ont des capacités de dispersion limitées et que les paysages sont des mosaïques d'habitats, la plupart des espèces sont plutôt composées de sous-populations connectées par la migration. Cette variation spatiale influence directement la distribution de la variabilité génétique dans et entre les populations. Durant ce travail, nous avons abordé certains des processus populationnels qui ont joué un rôle supposé dans l'apparition de nouvelles espèces au sein du genre Trochulus. Plus précisément, nous avons tenté d'évaluer les impacts respectifs de l'isolement passé (facteurs historiques) et présent (facteurs locaux). Nous avons d'abord pu montrer que les faibles capacités de dispersion des escargots terrestres ont directement influencé leur histoire évolutive à toutes les échelles spatiales et temporelles. En réduisant l'effet homogénéisant de la migration, une faible dispersion maintient dans les populations les traces génétiques d'évènements passés. A l'échelle de la distribution globale de Trochulus villosus, ces traces ont permis de reconstruire une histoire faite d'isolements et d'expansions de populations. En combinant des données génétiques avec une modélisation de la niche climatique passée, il a été possible de proposer un scénario significativement meilleur que toutes les hypothèses alternatives que nous avons testées. A l'échelle locale par contre, l'héritage historique est difficile à distinguer de la dynamique actuelle. Ce fut le cas des lignées mitochondriales du complexe sericeus-hispidus : les deux principales lignées étaient phylogénétiquement éloignées, avaient eu des démographies passées différentes et corrélaient avec des différences morphologiques. D'un autre côté, le flux de gène nucléaire était fort, contredisant l'idée de deux espèces cryptiques isolées reproductivement. Pour pouvoir conclure à la présence ou non de deux espèces, il nous a manqué des informations locales sur la dynamique des populations et les conditions écologiques que l'on trouve dans la région d'étude. Enfin, nous avons pu souligner que la connectivité entre populations d'escargots est soumise à la qualité des habitats et à leur organisation spatiale. Les escargots sont dépendants d'un habitat et s'y adaptent, comme l'indiquent la présence de «poils » uniquement sur la coquille d'espèces vivant dans des habitats humides ou la corrélation entre morphologie et habitat au sein du complexe sericeus-hispidus. Logiquement donc, les escargots migrent préférentiellement au travers d'habitats favorables comme l'a montré la réduction de flux de gènes au travers des prairies chez T. villosus (une espèce forestière). De ces données, nous pouvons supposer que les populations d'escargots en particulier, et des espèces à faible dispersion en général, ont de fortes chances d'être affectées par les changements climatiques, avec de probables implications pour leurs histoires évolutives. SUMMARY : Species rarely consists in a single population. Because individuals have limited dispersal abilities, because landscapes are habitat patchworks, most species are made of several subpopulations connected by migration. This spatial variation has consequences on the distribution of genetic diversity within and between populations, creating a structure among the populations. During the present work, we investigated some of the population processes assumed to have played an important role on the speciation within the genus Trochulus. More specifically, we questioned the respective impacts of past (historical factors) or present (local factors) population isolations. We first could show that the poor dispersal abilities of land snails have had profound impacts on their evolutionary histories at all spatial and temporal scales. Low dispersal maintains a strong signature of past events in the populations by minimising the homogenising effects of geneflow. At the scale of Trochulus villosus global distribution, they allowed to retrieve the detailed history of this species population isolations and expansions. Combining a large genetic dataset with paleo-climatic niche modelling ended up with a historical scenario significantly better than all traditional alternatives we tested. At local scale on the contrary, past events become difficult to tease apart from ongoing processes. This was the case for the divergent mitochondria) lineages within the sericeus-hispidus complex: the two principal lineages appeared to be phylogenetically distant, to have experienced different demographic histories and to correlate with morphological differences. On the other hand, nuclear (present day) geneflow was high, contradicting the idea of two reproductively isolated cryptic species. Information on the local population dynamics and environmental conditions are lacking to be able to decide whether past isolation has indeed resulted here in new species. Finally, we emphasised the importance of the habitat types present in a landscape as well as their spatial organisation for the population connectivity of land snails. These species are tightly dependent on a habitat and adapt to it as shown by thé occurrence of hair-like structures only in species living in humid environments or by the correlation between shell morphology and habitat in the sericeus-hispidus complex. As a result, land snails preferentially migrate through favourable habitats: Trochulus villosus, a forest species, had its geneflow significantly reduced across meadows. From these data, we can hypothesise that the populations of land snails in particular and of low dispersing species in general are likely to be strongly affected by the ongoing climate changes, with potential major consequences on their evolutionary histories.

Multiscale phylogeography: glacial history and autopolyploidy of Biscutella laevigata L. (Brassicaceae) in the Western Alps

Résumé Les changements climatiques du Quaternaire ont eu une influence majeure sur la distribution et l'évolution des biota septentrionaux. Les Alpes offrent un cadre spatio-temporel bien étudié pour comprendre la réactivité de la flore et le potentiel d'adaptation d'une espèce végétale face aux changements climatiques. Certaines hypothèses postulent une diversification des espèces en raison de la disparition complète de la flore des Alpes et d'un isolement important des espèces dans des refuges méridionaux durant les dernières glaciations (Tabula Rasa). Une autre hypothèse stipule le maintien de poches de résistance pour la végétation au coeur des Alpes (Nunataks). Comme de nombreuses espèces végétales présentant un grand succès écologique semblent avoir réagi aux glaciations par la multiplication de leur génome (autopolyploïdie), leur étude en milieu naturel devrait permettre de comprendre les avantages inhérents à la polyploïdie. Biscutella laevigata est un modèle emblématique de biogéographie historique, diverses études ayant montré que des populations diploïdes sont actuellement isolées dans les zones restées déglacées durant le dernier maximum glaciaire, alors que des tétraploïdes ont recolonisé l'ensemble des zones alpines mises à nu par le retrait des glaciers. Si le contexte périglaciaire semble avoir favorisé ce jeune complexe autopolyploïde, les circonstances et les avantages de cette mutation génomique ne sont pas encore clairs. Y a-t-il eu de multiples événements de polyploïdisation ? Dans quelle mesure affecte(nt)il(s) la diversité génétique et le potentiel évolutif des polyploïdes ? Les polyploïdes ont-ils une grande flexibilité génomique, favorisant une radiation adaptative, ou doivent-ils leur succès à une grande plasticité écologique ? Cette étude aborde ces questions à différentes échelles spatiales et temporelles. L'échelle régionale des Alpes occidentales permet d'aborder les facteurs distaux (aspects historiques), alors que l'échelle locale cherche à appréhender les facteurs proximaux (mécanismes évolutifs). Dans les Alpes occidentales, des populations ont été densément échantillonnées et étudiées grâce à (1) leur cytotype, (2) leur appartenance taxonomique, (3) leur habitat et (4) des marqueurs moléculaires de l'ADN chloroplastique, en vue d'établir leurs affinités évolutives. Á l'échelle locale, deux systèmes de population ont été étudiés : l'un où les populations persistent en périphérie de l'aire de distribution et l'autre au niveau du front actif de colonisation, en marge altitudinale. Les résultats à l'échelle des Alpes occidentales révèlent les sites d'intérêt (refuges glaciaires, principales barrières et voies de recolonisation) pour une espèce représentative des pelouses alpines, ainsi que pour la biodiversité régionale. Les Préalpes ont joué un rôle important dans le maintien de populations à proximité immédiate des Alpes centrales et dans l'évolution du taxon, voire de la végétation. Il est aussi démontré que l'époque glaciaire a favorisé l'autopolyploïdie polytopique et la recolonisation des Alpes occidentales par des lignées distinctes qui s'hybrident au centre des Alpes, influençant fortement leur diversité génétique et leur potentiel évolutif. L'analyse de populations locales en situations contrastées à l'aide de marqueurs AFLP montre qu'au sein d'une lignée présentant une grande expansion, la diversité génétique est façonnée par des forces évolutives différentes selon le contexte écologique et historique. Les populations persistant présentent une dispersion des gènes restreinte, engendrant une diversité génétique assez faible, mais semblent adaptées aux conditions locales de l'environnement. À l'inverse, les populations colonisant la marge altitudinale sont influencées par les effets de fondation conjugués à une importante dispersion des gènes et, si ces processus impliquent une grande diversité génétique, ils engendrent une répartition aléatoire des génotypes dans l'environnement. Les autopolyploïdes apparaissent ainsi comme capables de persister face aux changements climatiques grâce à certaines facultés d'adaptation locale et de grandes capacités à maintenir une importante diversité génétique lors de la recolonisation post-glaciaire. Summary The extreme climate changes of the Quaternary have had a major influence on species distribution and evolution. The European Alps offer a great framework to investigate flora reactivity and the adaptive potential of species under changing climate. Some hypotheses postulate diversification due to vegetation removal and important isolation in southern refugia (Tabula Rasa), while others explain phylogeographic patterns by the survival of species in favourable Nunataks within the Alps. Since numerous species have successfully reacted to past climate changes by genome multiplication (autopolyploidy), studies of such taxa in natural conditions is likely to explain the ecological success and the advantages of autopolyploidy. Early cytogeographical surveys of Biscutella laevigata have shed light on the links between autopolyploidy and glaciations by indicating that diploids are now spatially isolated in never-glaciated areas, while autotetraploids have recolonised the zones covered by glaciers- during the last glacial maximum. A periglacial context apparently favoured this young autopolyploid complex but the circumstances and the advantages of this genomic mutation remain unclear. What is the glacial history of the B. laevigata autopolyploid complex? Are there multiple events of polyploidisation? To what extent do they affect the genetic diversity and the evolutionary potential of polyploids? Is recolonisation associated with adaptive processes? How does long-term persistence affect genetic diversity? The present study addresses these questions at different spatiotemporal scales. A regional survey at the Western Alps-scale tackles distal factors (evolutionary history), while local-scale studies explore proximal factors (evolutionary mechanisms). In the Western Alps, populations have been densely sampled and studied from the (1) cytotypic, (2) morphotaxonomic, (3) habitat point of views, as well as (4) plastid DNA molecular markers, in order to infer their relationships and establish the maternal lineages phylogeography. At the local scale, populations persisting at the rear edge and populations recolonising the attitudinal margin at the leading edge have been studied by AFLPs to show how genetic diversity is shaped by different evolutionary forces across the species range. The results at the regional scale document the glacial history of a widespread species, representative of alpine meadows, in a regional area of main interest (glacial refugia, main barriers and recolonisation routes) and points out to sites of interest for regional biodiversity. The external Alps have played a major role in the maintenance of populations near the central Alps during the Last Glacial Maximum and influenced the evolution of the species, and of vegetation. Polytopic autopolyploidy in different biogeographic districts is also demonstrated. The species has had an important and rapid radiation because recolonisation took place from different refugia. The subsequent recolonisation of the Western Alps was achieved by independent lineages that are presently admixing in the central Alps. The role of the Pennic summit line is underlined as a great barrier that was permeable only through certain favourable high-altitude passes. The central Alps are thus viewed as an important crossroad where genomes with different evolutionary histories are meeting and admixing. The AFLP analysis and comparison of local populations growing in contrasted ecological and historical situations indicate that populations persisting in the external Alps present restricted gene dispersal and low genetic diversity but seem in equilibrium with their environment. On the contrary, populations colonising the attitudinal margin are mainly influenced by founder effects together with great gene dispersal and genotypes have a nearly random distribution, suggesting that recolonisation is not associated with adaptive processes. Autopolyploids that locally persist against climate changes thus seem to present adaptive ability, while those that actively recolonise the Alps are successful because of their great capacity to maintain a high genetic diversity against founder effects during recolonisation.

Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.