Le transport réactif dans les milieux poreux joue un rôle central dans de nombreux processus (ressource en eau, énergie ou environnement). La modélisation de ces dynamiques s’avère néanmoins complexe du fait de la persistance de gradients de concentration à micro-échelle, principal facteur d’échec des modèles de continuum existants. Bien que de récentes études aient montré la nature chaotique du mélange à l'échelle du pore, la façon dont cela affecte les réactions homogènes et hétérogènes est inconnue. Dans cette thèse, nous développons de nouvelles techniques d'imagerie 3D pour quantifier les dynamiques de mélange à l'échelle du pore et leur impact sur les processus réactifs. Tout d’abord, nous présentons nos méthodes expérimentales, qui comprennent l'ajustement d'indice optique et l'imagerie par fluorescence. Ensuite, nous montrons grâce à une réaction bimoléculaire générant un soluté fluorescent la manière dont le mélange réactif est contrôlé par les écoulements chaotiques à l'échelle du pore dans des milieux poreux 3D. Nous élargissons par la suite l’étude de nos paramètres par des simulations numériques du mélange réactif dans les écoulements chaotiques. Enfin, nous discutons de méthodes qui pourraient être utilisées pour étudier l'effet du mélange chaotique sur les réactions hétérogènes. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour caractériser, modéliser et prédire l'effet du mélange incomplet à l'échelle du pore sur les processus de transport réactif.