La quantification des ressources géologiques naturelles (huile, gaz, eau, dépôts minéraux, énergie géothermique, etc.) nécessite une compréhension et une description précises des hétérogénéités géologiques et des processus physico-chimiques qui contrôlent leur formation, leur mise en place, leur préservation et leur récupération. Pour caractériser le comportement physique des réservoirs, des modèles géologiques en 2D, 3D et 4D servent de base aux simulations numériques. Un modèle numérique requiert l’intégration et l’homogénéisation de nombreuses données obtenues à différentes échelles. Cela exige hypothèses, choix et simplifications pour représenter la complexité des objets géologiques et des processus physiques avec un nombre limité de paramètres. Dans le cas des études de réservoirs géothermiques haute température, il faut faire face à la complexité géométrique et structurale liée aux environnements volcaniques et à la résolution de processus physiques couplés. Cela demande l’utilisation de recherches effectuées dans différents domaines, avec différents outils. L’interopérabilité entre ces outils théoriques et numériques est un défi. Ces travaux de thèse proposent de pallier ce problème en réalisant des modèles géologiques dont la complexité est préservée à l’aide de maillages non structurés et d’outils permettant de réaliser des simulations de processus physiques couplés réalistes. Des stratégies de conservation de l'intégrité d'un modèle structural sont proposées, respectant les données et l’organisation des structures géologiques. Différents outils ont été élaborés pour identifier et préserver ces structures jouant un rôle particulier dans les processus physiques, comme les couches, failles ou frontières d'un modèle. Une représentation numérique adaptée à la géologie (permise par la librairie RINGMesh utilisant les concepts géologiques dans la description du modèle numérique) préserve ces différents éléments depuis le géomodeleur (SKUA-GocadTM) jusqu’aux simulations physiques (CSMP++). Les outils créés sont inclus dans une chaîne intégrative, allant de la modélisation géologique aux simulations physiques, i.e. de la caractérisation de la géométrie des structures vers la quantification des ressources. Les méthodologies développées sont d’abord validées grâce à des solutions analytiques et appliquées sur des cas synthétiques. Elles sont ensuite utilisées pour comprendre l'évolution des processus thermohydrauliques dans le réservoir géothermique de Basse-Terre, Guadeloupe (cadre du programme GEOTREF). Une première étude menée en 2D compare le réalisme physique de différents scénarios géologiques possibles selon les données de terrain (profils de température et campagne magnétotellurique). Cette étude reproduit les profils de température observés pour deux scénarios étudiés, et semble exclure l’hypothèse de transferts latéraux de chaleur à l’échelle de l’île. Une seconde étude réalisée en 3D, avec une complexification progressive du modèle géologique, quantifie l'impact des structures sur le comportement physique du réservoir. Il apparaît que le comportement thermique du modèle réalisé est principalement influencé par la topographie de la zone, malgré l’ajout d’hétérogénéités plus perméables telles des corridors de failles. Cependant, des hétérogénéités imperméables comme les surfaces de glissements n’ont pas été incluses, et des incertitudes majeures concernant la position, la taille et la forme de la source de chaleur pourraient être étudiées. Ces travaux de thèse ont ainsi permis (1) de mettre en place un environnement numérique propice pour tester l’impact des hétérogénéités géologiques sur le comportement physique des réservoirs, (2) d’ouvrir la voie vers une meilleure compréhension et caractérisation du comportement hydraulique et thermique d’un réservoir géothermique, et particulièrement vers la quantification de l’influence de la géométrie et de la connectivité des hétérogénéités sur les processus physiques.