Dissertationen zum Thema „Ruptures de surface (sismologie)“

Ce travail a pour but est d'estimer si le bruit de fond sismique peut-être utilisé en sismologie pour faire de la tomographie à l'échelle régionale. D'un point de vue théorique, les corrélations de bruit de fond enregistré par deux stations distantes permettent de retrouver la fonction de Green complète entre ces deux stations à si le bruit respecte la condition d'équipartition. Ceci signifie que tous les modes du milieu doivent être excités avec un même niveau d'énergie et une phase aléatoire. Une fois reconstruites, ces fonctions de Green peuvent être inversées afin de retrouver le milieu dans lequel les ondes se propagent. En premier lieu, nous étudions l'origine du bruit de fond sismique entre 5 et 40s de période. Nous montrons que le bruit est généré en permanence le long des côtes entre 5 et lOs de période, tandis qu'entre 10 et 20s sa provenance change ave4 la saison: il provient des océans de l'hémisphère nord en hiver et de l'hémisphère sud en été. Ainsi moyenné sur un an l~ distribution des sources est presque isotrope. Ensuite la stabilité des mesures de vitesse des ondes de surface réalisées grâce aux corrélations de bruit de fond sismique est évaluée. Nous montrons que nos mesures sont suffisamment précises pour mettre en évidence des erreurs d'horloge de stations de l'ordre du dixième de seconde. Nous utilisons ensuite les corrélations de bruit de fond pour faire la tomographie de l'Europe et des Alpes. Sur la base d'un an d'enregistrements continus à 150 stations nous sommes en mesure de présenter des cartes de vitesse de groupe des ondes de surface entre 5 et 80s de période. Ces cartes sont inversées afin de trouver la profondeur du Moho sous les Alpes
The aim ofthis work is to see ifit is possible to use sei smic noise correlations for seismic imaging. Theoretically, the Green function between two stations can be retrieved by simply correlating ambient noise recorded at these 2 stations. However this is only possible if the noise is fully equipartitionned. This means that aIl the eigen modes of the medium have to be excited by the noise with the same level of energy. Once the Green functions between several pairs of statiom have been reconstructed they can be inversed to obtain an image of the medium. The first question ifto see if the real sei smic ambient noise respect the requirement of the theory or not. We studied the origin of the seimic noise at period ranging from 5 to 40s. We show that the noise is generated along the coastlines at periods between 5 and lOs. Between 10 and 20s, the noise is generated by the oceans of the northern hemisphere during the winter, and from the southern hemisphere during the summer. The next step is to assess the precision of the velocity measurements performed on noise correlations. Using 13 years of continuous records at 3 Californian stations, we show that group velocity measurements are accurate enough to detect anc correct stations clock errors of less than one tenth of seconds. Ln the last part we use seismic noise correlations to perform the tomography of the Alps and Western Europe. Using one year of continuous records at 150 stations, we were able to measure the velocity of the fundamental mode of Rayleigh and Love waves between more than 3000 stations pairs. These measurements make group velocity maps between 5 and 80s ofoeriod. Thevare inverted to determine the deoth of the Moho in the Aloin region

Analogue modelling of strike-slip faulting provides insight into the development and behaviour of surface ruptures with accumulated slip, with relevance for understanding how information recorded in paleoseismic trenches relates to the earthquake behaviour of active faults. Patterns of surface deformation were investigated in analogue experiments using cohesive and non-cohesive granular materials above planar strike-slip basement faults. Surface deformation during the experiments was monitored by 3D PIV (particle image velocimetry) and 2D time lapse photography. Analysis focused on fault zone morphology and development, as well as the relationship of the models to surface deformation observed at the Greendale Fault that resulted from the 2010 Darfield earthquake. Complex rupture patterns with similar characteristics to the Greendale Fault (e.g. en echelon fractures, Riedel shears, pop-up structures, etc.) can be generated by a simple fault plane of uniform dip, slip, and frictional properties. The specific structures and the style of their development are determined by the properties of the overburden and the nature of the material surface. The width of the zone of distributed deformation correlates closely with sediment thickness, while the width of discrete fracturing is controlled by the material properties as well as the thickness of the overburden. The overall deformation zone width increases with the growth of initial, oblique fractures and subsequently narrows with time as strain localizes onto discrete fractures parallel to the underlying basement fault. Mapping the evolution of fracture patterns with progressive strain reveals that Riedel shears, striking at 90-120° (underlying fault strike = 90°) are more frequently reactivated during multiple earthquake cycles, and are thus most likely to provide reliable paleoseismic records. This will help identify suitable locations for paleoseismic trenches and interpret trench records on the Greendale Fault and other active, strike-slip faults in analogous geologic settings. These results also highlight the tendency of trenching studies on faults of this type to underestimate the number and displacement of previous ruptures, which potentially leads to an underestimate of the magnitude potential and recurrence interval of paleoearthquakes.

Imager les structures en profondeur de la chaîne des Pyrénées est un sujet d’étude de longue date ayant pour but à la fois de mieux connaître les processus géodynamiques responsable de sa genèse, mais aussi de nous permettre d’améliorer la prévention des risques sismiques associés à la dynamique de ces structures. L’objectif de cette étude est d’utiliser la tomographie de bruit sismique ambiant pour obtenir des images 3D de la région Pyrénéenne à deux échelles différentes. Premièrement, à l’échelle crustale, afin de contraindre les grandes structures en profondeur de l’orogène et leurs continuités dans l’espace. Deuxièmement, à l’échelle d’un bassin sédimentaire caractéristique de l’histoire géologique complexe des Pyrénées, le bassin de Mauléon-Arzacq situé au Nord-Ouest de la chaîne.Nous allons ici utiliser la méthode de corrélation du bruit sismique ambiant (notée C1) qui est un moyen efficace pour retrouver les temps de propagation des ondes de surface entre une paire de sismomètre. Cette méthode est maintenant largement utilisée pour la tomographie sismique et la surveillance temporelle de structures sismogènes. Dans cette étude, nous poussons plus loin cette méthode de corrélation de bruit et proposons deux méthodologies innovantes appelées corrélations d'ordre supérieur (C2 et C3), correspondant à des itérations de corrélations de bruit. Ces méthodes nous permettent d'améliorer à la fois la qualité et la quantité des mesures de dispersion des ondes de surface entre les paires de stations synchrones, mais aussi asynchrones, c’est-à-dire qui n’ont pas fonctionné en même temps. En utilisant ces méthodes innovantes, nous avons amélioré considérablement la couverture spatiale des modèles à l'intérieur et autour des Pyrénées.Par la suite, en utilisant un schéma d'inversion probabiliste bayésien, nous avons obtenu deux nouveaux modèles haute résolution de vitesse des ondes de cisaillement, incluant aussi les densités de probabilité des limites de couches (ou interfaces sismiques).À grande échelle, le modèle crustale Pyrénéen montre une subduction de la plaque ibérique sous la plaque eurasienne dans la partie Ouest des Pyrénées qui disparaît dans la partie Est. L’utilisation de corrélation d’ordre supérieur a permis de l’étendre au golfe de Gascogne et a permis d'imager ses structures pour la première fois dans un modèle Vs de cette échelle. En particulier, nous avons pu imager des anomalies de vitesses rapides qui se trouvent proche de la surface aux niveaux des anomalies gravimétriques de Mauléon et de Saint-Gaudens. Ce résultat apporte un élément supplémentaire pour répondre à l'une des grandes questions latentes des Pyrénées, à savoir la source de ces anomalies gravimétriques. Ces résultats confortent l'hypothèse qu’elles sont causées par la présence d'écailles de matériel dense proche de la surface.À plus petite échelle, le modèle du bassin de Mauléon-Arzacq a permis de révéler en détail la structure en profondeur de leur substratum mais aussi d'imager la limite nette que forme le Chevauchement Frontal Nord Pyrénéen entre ces deux bassins
Imaging the structures in depth of the Pyrenees mountain range is a long-standing subject of study with the aim both of gaining a better understanding of the geodynamic processes responsible for its genesis, and also of enabling us to improve the prevention of seismic risks associated with the dynamics of these structures. The objective of this study is to use ambient seismic noise tomography to obtain 3D images of the Pyrenean region at two different scales. Firstly, at the crustal scale, in order to constrain the large structures in depth of the orogen and their continuities in space. Secondly, on the scale of a sedimentary basin characteristic of the complex geological history of the Pyrenees, the Mauléon-Arzacq basin located in the north-west of the chain.Here we will use the method of correlation of the ambient seismic noise (noted C1) which is an efficient way to retrieve the propagation times of surface waves between a pair of seismometers. This method is now widely used for seismic tomography and temporal monitoring of seismogenic structures. In this study, we further develop this noise correlation method and propose two innovative methodologies called high order correlations (C2 and C3), corresponding to iterations of noise correlations. These methods allow us to improve both the quality and the quantity of surface wave dispersion measurements between pairs of synchronous, but also asynchronous, i.e. not operating at the same time. By using these innovative methods, we have considerably improved the spatial coverage of the models in and around the Pyrenees.Subsequently, using a Bayesian probabilistic inversion scheme, we obtained two new high-resolution models of shear wave velocities, also including the probability densities of the layer boundaries (or seismic interfaces).At large scale, the Pyrenean crustal model shows a subduction of the Iberian plate under the Eurasian plate in the western part of the Pyrenees which disappears in the eastern part. The use of higher-order correlation has made it possible to extend it to the Bay of Biscay and has made it possible to image its structures for the first time in a Vs model of this scale. In particular, we have been able to image fast velocity anomalies that lie close to the surface at the levels of the Mauléon and Saint-Gaudens gravimetric anomalies. This result brings an additional element to answer one of the great latent questions of the Pyrenees, namely the source of these gravimetric anomalies. These results confirm the hypothesis that they are caused by the presence of scales of dense material close to the surface.On a smaller scale, the model of the Mauléon-Arzacq basin allowed to reveal in detail the deep structure of their substratum but also to image the clear limit formed by the North Pyrenean Frontal Overlap between these two basins

L'objectif de cette thèse est de construire un modèle d'atténuation sismique du manteau supérieur dela Terre en utilisant un jeu de données original construit par Debayle et Ricard (2012). Ce jeu dedonnées est l'un des plus complet au monde (plus de 375 000 sismogrammes analysés pour extrairel'atténuation et la vitesse de phase du mode fondamental et des cinq premiers harmoniques des ondesde Rayleigh).Les mesures d'atténuation sont tout d'abord traitées pour extraire les effets de l'expansion géométriqueet de la focalisation, minimiser les effets d'erreurs sur la source, écarter les mesures incertaines etregrouper les mesures redondantes. Elles sont ensuite régionalisées pour obtenir des cartes desvariations latérales de l'atténuation des ondes de Rayleigh pour chaque mode et chaque période. Ladernière étape est l'inversion en profondeur des cartes. Elle permet d'obtenir QsADR17, un modèle 3Dde l'atténuation des ondes S dans le manteau supérieur.QsADR17 est corrélé avec la tectonique de surface jusqu'à 200 km de profondeur, avec une faibleatténuation sous les continents et une forte atténuation sous les océans. Des anomalies de forteatténuation sont observées jusqu'à 150~km de profondeur sous les rides océaniques, et persistent à plusgrande profondeur jusque dans la zone de transition sous la plupart des points chauds. La présence delarges anomalies atténuantes situées à 150 km de profondeur sous l'océan Pacifique suggère queplusieurs panaches thermiques viennent s'étaler dans l'asthénosphère. Nous avons également détecté laprésence d'hétérogénéités de composition à la base des cratons et dans un certain nombre de régionsactives
The aim of this study is to build a 3-D attenuation model of Earth's upper-mantle using a unique datasetbuilt by Debayle & Ricard (2012). This dataset is among the largest in the world: more than 375,000seismograms were analyzed to extract Rayleigh-wave attenuation and velocity measurements for thefondamental mode and the five first harmonics between 40 and 240 s periods.First, attenuation measurements are processed to extract the effects of geometrical attenuation and offocusing and defocusing, in order to minimize the influence of errors on the seismic source, to avoidpotentially incorrect data, and to cluster redondant measurements. Then, measurements are regionalizedto obtain Rayleigh-wave maps for each mode and each period. The last step is the inversion of thesemaps to obtain the depth dependent attenuation. Eventually, we obtain QsADR17, a 3-D model of Swaveattenuation in the upper mantle.QsADR17 is correlated with surface tectonics down to 200 km depth, with low attenuation under thecontinents and high attenuation under the oceans. High-attenuation anomalies are found under oceanicridges down to 150~km depth, and under most of the hotspots at larger depth down to the transitionzone. A large high-attenuation anomaly at 150~km depth under the Pacific ocean suggest that thermalplumes pound into the asthenosphere. We also detect compositional heterogeneities at the base of thecratons and in active areas

Des études récentes ont montré qu’il était possible d’extraire la fonction de Green entre deux récepteurs par corrélation d’un champ d’ondes sismiques aléatoires enregistrées entre ces deux points. Appliquée à la sismologie, la faisabilité de cette approche est illustrée par l’étude des corrélations du bruit sismique ambiant sur de longues périodes et permet la reconstruction de la partie "ondes de surface" des fonctions de Green. Ainsi, la possibilité de mesurer des vitesses à partir des corrélations de bruit sur différents trajets d’un réseau sismique ouvre la voie à une imagerie passive des structures de la Terre. Cependant, ce résultat est intimement lié aux propriétés du bruit sismique qui diffèrent suivant les régions d’étude. Le travail de recherche que je présente se compose de quatre études séparées. La première étude a permis de tester et d’appliquer la technique de tomographie passive dans un environnement océanique afin d’étudier la structure de la croûte inférieure et du manteau supérieur sous l’Islande. La deuxième étude se base sur l’observation de certaines corrélations de bruit d’un signal qui ne fait pas partie de la fonction de Green mais qui résulte d’ondes de volume télésismiques contenues dans le bruit, ondes générées par des tempêtes océaniques. Grâce à une analyse réseau, on peut ainsi étudier la distribution des sources de microséismes dans l’océan profond. La troisième étude analyse la faisabilité d’utiliser les corrélations de bruit sismique enregistré en fond de mer à des fréquences supérieures à 1 Hz pour avoir accès à la distribution de vitesse des premiers 30 m. Enfin, en marge de cette problématique de bruit sismique, je présenterai une dernière étude originale qui montre l’utilisation de courbes de dispersion et de diagramme Temps-Fréquence pour estimer la vitesse de rupture du séisme de Koxokili de novembre 2001
Recent studies show the possibility to extract the Green’s function between two locations by correlating a random wavefield recorded by receivers located at these points. Applied to seismology, the feasibility of this approach is illustrated by the study of ambient seismic noise correlations during long periods that results in reconstructing the “surface wave” part of Green’s functions. This provides us with a new way of passive imaging of the Earth structure by measuring and inverting velocities of seismic waves propagating between pairs of stations of a seismic network. However, applicability of this approach result is closely related to the properties of seismic noise that may be different in different regions. The research that I present consists of four separate studies. The first study aims to apply the technique of passive tomography in an oceanic environment to infer the structure of the lower crust and upper mantle below Iceland. The second study is based on observations of noise correlations containing signals that are not parts of the Green’s function but results from ballistic teleseismic body waves generated by distant oceanic storms. By applying a network analysis to these signals, we can locate their sources distribution and to determine unambiguously that they are preferentially generated in deep oceans. The third study examines the feasibility of using the seismic noise correlation at the seafloor to infer to the shear velocity distribution of the top 30 m. Finally, in addition to this seismic noise problem, I will present a final original study that shows the use of dispersion curves and Time-Frequency diagram to estimate the speed of earthquake rupture Koxokili of November 2001

Durant cette thèse, nous appliquons la méthode de la corrélation de bruit ambiant dans la région particulièrement hétérogène des Pyrénées et des ses alentours (socle rocheux affleurant et bassin sédimentaires épais). Le jeu de données utilisé est une combinaison de deux réseaux temporaires large-bande français et espagnol (PYROPE et IBERARRAY) et de stations des réseaux permanents large-bande français et catalan. Le bruit sismique, enregistré pendant un an par les 158 stations est utilisé pour calculer les corrélations dans la gamme de période 5-55 s. Les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh et de l'onde de Love entre paires de stations sont inversées de manière linéarisée et nous obtenons, pour chaque période, des cartes de vitesses de groupe avec une résolution latérale d'environ 40 km. La comparaison entre les deux types d'ondes montre qu'il existe une anisotropie radiale à courtes périodes, alors que peu ou pas d'anisotropie radiale n'est visible aux périodes plus longues. Nous avons développé une nouvelle stratégie d'inversion des courbes de dispersion en modèle de vitesse d'onde S que nous avons appliqué sur les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh. Cette approche d'inversion est basée sur une exploration complète de l'espace des modèles et une inversion linéarisée. Le modèle obtenu, validé par la comparaison avec des résultats provenant d'autres méthodes, est le premier modèle 3-D crustale en vitesse d'onde S de la région et il permet d'apporter des contraintes sur la géodynamique des Pyrénées et de ses alentours. Deux points importants sont soulevés : (1) Des profils de vitesses atypiques sous l'Est du Massif Central, avec une croûte amincie et des vitesses anormalement faibles dans le manteau supérieur. (2) Deux anomalies de vitesses rapides sous la zone du Labourd-Mauléon et dans le prolongement du bassin de Parentis. Ces anomalies, situées à 25 km de profondeur, sont interprétées comme les traces de l'hyper-extension qui aurait précédée la phase de collision amenant à la formation des Pyrénées. La forte hétérogénéité de la zone permet également de faire l'analyse de l'influence de la non prise en compte des déviations de rais lors de l'inversion. Les premiers résultats montrent que le modèle obtenu en utilisant la théorie des rais droits ne permet pas d'expliquer les déviations calculées par la méthode de formation de voie. Ces déviations observées peuvent donc apporter une amélioration du modèle en considérant l'utilisation d'une inversion combinée
In this thesis, we applied the ambient noise correlation method in the very heterogeneous region of the Pyrenees and the surrounding areas (mountain belt and thick sedimentary basins). The dataset used is a combination of two temporary broadband arrays from France and Spain (PYROPE and IBERARRAY) and stations of the French and Catalan permanent broadband arrays. Seismic noise recorded over years by the 158 stations was used to calculate correlations in a period range of 5-55 s. Observed Rayleigh and Love wave group velocities between pairs of stations were used as input to a linearized inversion scheme, where we obtained for each period group velocities maps, with a lateral resolution of approximately 40 km. The comparison between the two type of waves demonstrates radial anisotropy at short periods, while little or no radial anisotropy is present at long periods. We developed a new strategy for the inversion of dispersion curves to shear wave velocity models and applied it to the Rayleigh waves group velocity. This approach is based on the combination of a full exploration of the model space and a linearized inversion. The obtained model, validated by the comparison of our results with the results of other methods, is the first complete 3-D crustal Vs model of the region. We in particular note : (1) Atypical S-waves profiles in the Eastern part of the Massif Central which indicate a thinned crust and low velocities in the uppermost mantle. (2) High-velocity anomalies at 25 km depth beneath the Labourd-Mauléon area and the on-land continuation of the Parentis basin. We suggest that they are the traces of the hyper-extension which might have preceded the collision phase which lead to the formation of the Pyrenees. The strong heterogeneity of our study region is also well-adapted to analyze the influence of the ray deviations on the reconstruction of the model. First results show that the reconstructed model, using great-circle paths, does not explain the ray deviations as observed by beamforming. Observed deviations therefore carry the potential of improving the model in a combined inversion scheme

La Multi-Channel Acquisition of Surface Waves (MASW) est devenu populaire depuis quelques années pour l'auscultation non destructive de milieux tabulaires naturels ou artificiels (Béton). Cette méthode, basée sur le comportement dispersif des ondes de surface, comporte deux étapes principales. Une courbe de dispersion des vitesses de phase des ondes de surface est, dans un premier temps, extraite d'un sismogramme par une transformée du champ d'onde (transformée p-?). L'inversion de cette dernière conduit enfin à une interprétation du milieu ausculté sous la forme d'un profil 1D des vitesses de propagation des ondes transverses en fonction de la profondeur. Cette dissertation propose une évaluation de la faisabilité de l’utilisation de la MASW pour le contrôle non destructif de structures souterraines. Cette étude s’est focalisée à évaluer puis à procéder aux différentes modifications nécessaires pour son utilisation en milieu présentant une surface concave (surface très répandue dans les structures de type galeries, tunnel ou puits)
Multi-Channel Acquisition of Surface Waves (MASW) has become very popular in recent years for non destructive testing of both layered natural and artificial (concrete) media. This method, based on the dispersive behaviour of surface waves, consists of two major steps. A phase velocity dispersion curve is first extract from the seismogram using a wave field transform (p-? transform). Then the inversion of this latter produces a 1D interpretation of the medium in terms of transverse wave velocities versus depth. While these two major steps of the method are well-documented for plane stratified media, it’s not the case when the investigated structure has a complex geometry. This dissertation deals with the evaluation of the feasibility to use MASW for non destructive evaluation of underground structures. After a brief survey of the problems that could be encountered with tunnel non destructive evaluation, this study focuses to determine and then proceed to the modifications needed to adapt the method for a concave geometry structure use

L'aléa sismique d'un site donné peut être largement influencé par des effets de site. Afin d'évaluer ces effets, la structure locale du sous-sol ainsi que les propriétés du champ d'onde doivent être étudiées. Les ondes de surface (ondes de Love et de Rayleigh) s'avèrent utiles, leurs propriétés (courbes de dispersion, ellipticité des ondes de Rayleigh) étant directement liées à la structure du sous-sol. Le paramètre clé pour l'identification du type d'onde est la polarisation. Dans la première partie de la thèse, de nouvelles méthodes pour l'estimation de paramètres de polarisation d'ondes de surface sont développées. Deux méthodes, DELFI et RayDec, estiment l'ellipticité des ondes de Rayleigh à partir d'enregistrements d'un seul capteur sismique. La troisième méthode, MUSIQUE, est basée sur la méthode MUSIC et utilise les enregistrements multi-composantes de réseaux sismiques afin de distinguer ondes de Love et ondes de Rayleigh et d'estimer leurs propriétés. Dans la deuxième partie de la thèse, une étude théorique de l'inversion de courbes d'ellipticité montre quelles parties de ces courbes véhiculent les informations importantes sur la structure du sol et comment l'inversion peut être améliorée. Le schéma d'inversion résultant est alors testé en l'appliquant à des données réelles mesurées pour 14 sites européens. Finalement, 22 séismes enregistrés par un réseau de capteurs dans la vallée de Santa Clara en Californie sont analysés par MUSIQUE. La répartition azimutale, les courbes de dispersion, la courbe d'ellipticité et les énergies des différents types d'ondes sont analysées et soulignent l'importance des ondes de surface diffractées dans le champ d'ondes enregistré.

Fracture distribution in a fold and thrust belt is commonly thought to vary depending on structural position, strain, lithology and mechanical stratigraphy. The distribution, geometry, orientation, intensity, connectivity and fill of fractures in a reservoir are all important influences on fractured reservoir quality. The presence of fractures is particularly beneficial in reservoirs that contain little matrix porosity or permeability, for example tight sandstones. In these examples fractures provide essential secondary porosity and permeability that enhance reservoir production. To predict how reservoir quality may fluctuate spatially, it is important to understand how fracture attributes may vary, and what controls them. This research aims to investigate the influence of structural position on fracture attribute variations. Detailed fracture data collection is undertaken on folded sandstone outcrops. 2D forward modelling and 3D model restorations are used to predict strain distribution in the fold-and-thrust belt. Relationships between fracture attributes and predicted strain are determined. Discrete Fracture Network (DFN) modelling is then undertaken to predict fracture attribute variations. DFN modelling results are compared with field fracture data to determine how well fractured reservoir quality can be predicted. Field data suggests strain is a major controlling factor on fracture formation. Fractures become more organised and predictable as strain increases. For example in high strain forelimb regions, fracture intensity and connectivity are high, and fracture orientations are consistent. In lower strain regions, fracture attributes are much more variable and unpredictable. Fracture variations often do not correspond to strain fluctuations, and correlations can be seen between fracture intensity and lithology. Reservoir quality is likely to be much more variable in low strain regions than high strain regions. DFN modelling is also challenging because fracture attribute variations in low strain regions do not correspond to strain, and therefore cannot be predicted.

La collision alpine a créé des structures complexes comme des chaînes de montagnes très arqués et des interactions compliquées entre les slabs subduits. La polarité de subduction est inversée à la transition entre les Alpes et les Apennins et les Alpes et les Dinarides. Le fait que la plaque Adria subducte en même temps vers l'ouest et vers l'est avec un fort pendage, presque verticalement, suggèrent une flexion importante de cette plaque. Notamment, si on considère de plus la proposition qu'Adria subducte aussi vers le nord sous les Alpes de l'est, ce qui est toujours sujet de discussion. Des déchirures dans le slab adriatique sous les Dinarides du nord à plus de 150 km de profondeur et sous les Apennins à moins de 200 km, pourraient être des signes d'une forte tension et, en conséquence, un détachement de la plaque adriatique. La plaque européenne pourrait aussi avoir subi plusieurs déchirures le long des Alpes. Cette hypothèse sujette à débat nécessite de nouveaux modèles tomographiques. Le modèle tomographique présenté dans cette thèse se base sur les vitesses de phase des ondes de surface pour donner un modèle 3-D à haute résolution des vitesses de cisaillement de la surface jusqu'à 200 km de profondeur. Ce modèle est unique de par sa haute résolution dans le manteau lithosphérique où des modèles antérieurs montrent de fortes incertitudes. Afin d'imager la croûte et le manteau supérieur en même temps, une combinaison des données de vitesses de phase des ondes de surface mesurés à partir des bruits ambiants ainsi que des séismes est utilisée dans cette thèse.Pour tester la validité de cette procédure, une comparaison détaillée des mesures de vitesses de phases et des structures imagées avec les deux méthodes est présentée. De l’analyse résulte un faible biais qui montre des vitesses plus élevées avec les données se basant sur des séismes par rapport aux données se basant sur le bruit ambiant. En comparant avec des travaux antérieurs, il est apparu que ce biais est dû à une différence méthodologique. Plusieurs paramètres qui pourraient influencer les mesures du bruit ambiant sont testés numériquement. Une cause unique n'a pu être identifiée. L'explication la plus probable pour le biais est une combinaison entre différentes sensibilités des méthodes aux structures et l'influence des modes supérieurs. Néanmoins, l'écart est suffisamment faible par rapport aux variations structurales pour être négligé.Un modèle final de vitesse de cisaillement de la région alpine est obtenu avec une résolution latérale d'environ 25 km dans la croûte peu profonde. Les tests synthétiques donnent une résolution approximative de profondeur estimée à 2 km près de la surface et de 5 km à la profondeur du Moho. Dans le manteau supérieur, la résolution baisse rapidement mais les structures principales des panneaux plongeants restent bien imagées jusqu'à une profondeur de 200 km le long des Alpes et des Apennins.La partie crustale du modèle donne des informations à haute résolution sur la taille et la profondeur des bassins sédimentaires et du corps d’Ivrée ainsi que sur la profondeur et la structure du Moho. Ce modèle de vitesses de cisaillement est le premier montrant autant de détails et couvrant les Alpes entières, il est proposé que le modèle pourrait servir comme référence pour la région.Le modèle montre les limites des zones de subduction et les régions de basses vitesses asthénosphèriques montants sous les bassins Ligure et pannonien. Des structures connues comme les déchirures de slabs sous les Apennins et les Dinarides sont imagés. Des découvertes supplémentaires ont été mises en évidence : une petite zone de faible vitesse qui coupe la lithosphère au nord des Dinarides est interprété comme l'expression d'une grande faille décrochante
The plate collision in the Alps and adjacent orogens has created a complex picture of highly arcuate mountain belts and complicated interactions of subduction slabs. The subduction polarity is reversed from European to Adriatic subduction in the transition of the Alps to the Apennines and to the Dinarides. The subduction of Adria both to the west and east and the almost vertical dip of the slabs implies an important flexure of this plate. Even more so if one considers the proposed subduction of Adria also to the north under the eastern Alps, which is still a matter of discussion. Gaps in the Adriatic slab under the northern Dinarides, below 150~km depth and in the southern Apennines above 200~km may be signs of the stresses and the consequent tearing that the Adriatic plate is exposed to.Also the European plate has supposedly undergone one or several break-offs all along the Alpine arc. Especially in the eastern and western Alps it is still an open question whether the European slab is detached below the lithosphere. New tomographic models are thus needed.The herein presented tomographic model is based on surface-wave phase velocities and gives a picture of the shear-velocity structure from the surface to 200 km depth. It is the first high-resolution shear-velocity model of the entire Alpine crust and upper mantle. It is also unique in its good resolution in the lithospheric mantle, where previous body-wave models are subject to high uncertainties. In order to be able to image both crust and upper mantle, a combination of ambient-noise and earthquake-based phase-velocity measurements is used in the present thesis.The validity of this approach is tested by a detailed comparison of the phase-velocity measurements and the structures that are imaged from each method individually. A small bias between the methods results in slightly elevated velocities from earthquake measurements. By comparison with earlier works it appears that this bias is due to methodological differences. Several effects that may influence the ambient-noise records are tested with synthetic experiments, but no unique cause is found. The most likely explanation for the bias between the two methods is a combination of different structural sensitivities and the influence of higher modes. Nevertheless, the discrepancy is sufficiently small with respect to the structural variations that the bias can be neglected.A final shear-velocity model of the Alpine region is obtained which has a lateral resolution in the shallow crust of approximately 25 km. From synthetic tests, the average depth resolution is estimated to be 2~km close to the surface and 5 km for the Moho depth. In the upper mantle the resolution decreases significantly, but main slab structures are well imaged in the central Alps and the Apennines down to the bottom of the model at 200 km depth.Highlights of the crustal part of the model are size and depth of sedimentary basins, the Ivrea body and the Moho structure. Being the first shear-velocity model of this detail and extend it is proposed to serve as reference for the Alps

La caractérisation de la proche surface est un enjeu majeur pour l'industrie pétrolière. Lors des acquisitions terrestres et Ocean Bottom Cable (OBC), les couches superficielles généralement altérées ou peu consolidées, présentent des structures géologiques complexes et ont éventuellement des variations topographiques importantes. Les ondes de surface, énergétiques, se propagent dans ce milieu complexe et dominent les sismogrammes, ce qui masque le signal utile pour le traitement sismique classique et rend difficile l'imagerie à la profondeur du réservoir.Il est donc important de pouvoir atténuer ces ondes, éventuellement d'appliquer des corrections statiques et/ou d'amplitude. Ceci qui nécessite une connaissance précise du modèle de vitesse de la proche surface. L'étude de la dispersion des ondes de surface est couramment utilisée en sismologie globale et à l'échelle géotechnique pour évaluer les propriétés des milieux terrestres. Il existe néanmoins des limitations: la mesure de cette dispersion est souvent difficile et les profils de vitesses obtenus sont 1D. A l'échelle pétrolière, l'hypothèse 1D n'est pas toujours adaptée, ce qui motive l'utilisation d'une méthode alternative d'imagerie plus haute résolution, la méthode d'inversion de la forme d'onde (FWI). Cependant, le modèle de vitesse initial doit être assez précis pour éviter le "cycle-skipping" et permettre la convergence vers la solution optimale.Cette étude explore différentes alternatives de fonctions coûts pour résoudre le "cycle-skipping" et diminuer la dépendance de l'inversion à la qualité du modèle initial. En exprimant les fonctions coûts dans le domaine f-k (fréquence-nombre d'onde) et le domaine f-p (fréquence-lenteur), la FWI est plus robuste. A l'aide d'exemples synthétiques, nous démontrons l'efficacité de ces nouvelles approches qui permettent bien de retrouver les variations latérales de vitesses d'onde S.Dans une seconde partie, nous développons une inversion FWI en "layer stripping", adaptée spécifiquement à la physique des ondes de surface. Comme la profondeur de pénétration de ces ondes dépend de leur longueur d'onde, et donc, de leur contenu fréquentiel, nous proposons d'inverser séquentiellement des plus hautes aux plus basses fréquences de ces ondes pour contraindre successivement les couches superficielles jusqu'aux plus profondes. Un fenêtrage selon la distance source-station est également appliqué. Dans un premier temps seules les courtes distances sont inversées, au fur à mesure les données associées à des plus grandes distances sont rajoutées, plus fortement impactées par le "cycle-skipping". Nous démontrons à l'aide d'exemples synthétiques l'avantage de cette méthode par rapport aux méthodes multi-échelles conventionnelles inversant des basses vers les hautes fréquences.Enfin, l'inversion des ondes de surface pour la caractérisation de la proche surface est confrontée à un cas réel. Nous discutons la construction et la pertinence du modèle initial et les difficultés rencontrées lors de l'inversion
The characterization of the near surface is an important topic for the oil and gas industry. For land and Ocean Bottom Cable (OBC) acquisitions, weathered or unconsolidated top layers, prominent topography and complex shallow structures may make imaging at target depth very difficult. Energetic and complex surface waves often dominate such recordings, masking the signal and challenging conventional seismic processing. Static corrections and the painstaking removal of surface waves are required to obtain viable exploration information.Yet surface waves, which sample the near surface region, are considered as signal on both the engineering and geotechnical scale as well as the global seismology scale. Their dispersive property is conventionally used in surface wave analysis techniques to obtain local shear velocity depth profiles. But limitations such as the picking of dispersion curves and poor lateral resolution have lead to the proposal of Full Waveform Inversion (FWI) as an alternative high resolution technique. FWI can theoretically be used to explain the complete waveforms recoded in seismograms, but FWI with surface waves has its own set of challenges. A sufficiently accurate initial velocity model is required or otherwise cycle-skipping problems will prevent the inversion to converge.This study investigates alternative misfit functions that can overcome cycle-skipping and decrease the dependence on the initial model required. Computing the data-fitting in different domains such as the frequency-wavenumber (f-k) and frequency-slowness (f-p) domains is proposed for robust FWI, and successful results are achieved with a synthetic dataset, in retrieving lateral shear velocity variations.In the second part of this study a FWI layer stripping strategy, specifically adapted to the physics of surface waves is proposed. The penetration of surface waves is dependent on their wavelength, and therefore on their frequency. High-to-low frequency data is therefore sequentially inverted to update top-to-bottom layer depths of the shear velocity model. In addition, near-to-far offsets are considered to avoid cycle-skipping issues. Results with a synthetic dataset show that this strategy is more successful than conventional multiscale FWI in using surface waves to update the shear velocity model.Finally inversion of surface waves for near surface characterization is attempted on a real dataset at the oil and gas exploration scale. The construction of initial models and the difficulties encountered during FWI with real data are discussed

Le but de ce travail est d'obtenir un modele 3d global des variations du facteur de qualite des ondes s. Les variations laterales de l'attenuation anelastique des ondes sismiques dans la terre sont moins bien connues que les variations laterales de vitesse. Etant tres sensibles a la rheologie, leur connaissance precise permettrait de mieux contraindre les conditions de pression et temperature. La diminution de l'amplitude d'une onde de surface au cours de sa propagation est due a differents phenomenes physiques comme l'expansion geometrique, l'attenuation anelastique, l'attenuation de diffraction ou les effets de focalisation. Pour obtenir l'attenuation anelastique il faut donc corriger des autres effets ou les separer. De plus, l'etude de l'attenuation due a la propagation d'une onde necessite de connaitre avec precision l'amplitude de l'onde a la source et l'amplitude au niveau de la station. Les donnees utilisees, environ 29 300 fondamental rayleigh (r1) et 18 700 fondamental love (g1), permettent d'avoir une excellente couverture spatiale sur l'ensemble de la surface de la terre et d'envisager une cartographie a differentes periodes de l'anelasticite et de l'elasticite respectivement representees par un facteur de qualite et une vitesse de phase des ondes de surface. La bande de frequence couverte par ces donnees 40200s nous permet d'obtenir un modele 3d du facteur de qualite des ondes s sur les 800 premiers km du manteau avec un maximum de sensibilite sur les 400 premiers. Pour cela, nous avons dans un premier temps modelise la phase et l'amplitude des ondes de surface afin de pouvoir les inverser conjointement. Nous avons ensuite inverse en profondeur les variations laterales du facteur de qualite des ondes de rayleigh afin d'obtenir un modele 3d du facteur de qualite des ondes s. Ce modele associe en surface les limites de plaques a des zones attenuantes. A plus grande profondeur des zones tres attenuantes subsistent sous le pacifique et l'atlantique sud.

Une formulation détaillée de la méthode de représentation des champs d'ondes sismiques, est donnée dans les cas P, SV, et SH, pour des milieux 2D dont la stratification est formée de couches latéralement irrégulières. Cette représentation est basée sur l'échantillonnage de l'espace des nombres d'onde et sur la résolution des conditions aux limites des champs de contraintes et de déplacements aux différentes interfaces. Cette méthode est appliquée au calcul des mouvements du sol à des distances de quelques kilomètres de la source et, à l' aide du théorème de réciprocité, à la simulation de ces mouvements pour des distances télésismiques. L'influence des différentes structures géologiques (e .g. topographies irrégulières, bassins sédimentaires) est mise en évidence sur les amplifications ct les atténuations des déplacements du sol. Les effets produits sur les champs de déplacements sont analysés en fonction de la position de la source par rapport aux irrégularités du milieu de propagation. Les variations de ces effcets sont également étudiées lorsque l'on change la forme des hétérogénéités. Sont étudiés à distances régionales: un mécanisme de défocalisation de l'énergie sur une structure anticlinale, l'allongement de la durée des mouvements du sol par rétropropagation des champs d'ondes dans un bassin sédimentaire, l'influence de la raideur (Ides reliefs et de la profondeur de la source sur les champs d'ondes diffractés par une explosion. A distances télésismique, une étude est menée qui précise l'incidence des structures hétérogènes se trouvant dans la région de la source, sur l'estimation de la magnitude.

This thesis aims at the study of small to large surface deformation that can be detected using the remote sensing interferometric synthetic aperture radar (InSAR) methods. The new developments of InSAR processing techniques allow the monitoring of surface deformation with millimeter surface change accuracy. Conventional InSAR use a pair of SAR images ("Master" and "Slave" images) in order to measure the phase difference between the two images taken at different times. The uncertainties in measurements using the conventional InSAR due to the atmospheric delay, the topographic changes and the orbital artifacts are the handicaps of this method. The idea of InSAR method is to measure the phase difference between tow SAR acquisitions. These measure refere to the ground movment according to the satellite position. In interferogram the red to blue colors refere to the pixel movement to or far from the satellite position in Line-Of-Sight (LOS) direction. In 2000's, Radar spacecraft have seen a large number of launching mission, SAR quisitions and InSAR applicability have seen explosion in differents geophysical studies due to the important SAR datas and facility of data accessibity. This SAR-mining needs other type and generation of InSAR processing.In 2001, Ferretti and others introduce a new method called Permanent Scatterer InSAR (PS) that is based on the use of more than one Slave image in InSAR processing with the same Master image. This method allows enhancing the LOS signal for each pixel (PS) by using the best time and/or space-correlated signal (from amplitude and/or from phase) for each pixel over the acquisitions. A large number of algorithms were developed for this purpose using thesame principle (variantes). In 2002, Berardino et al developed new algorithm for monitoring surface deformation based on the combination of stack of InSAR results from SAR couples respecting small baseline (SB) distance. Nowadays, these two methods represent the existing time series (TS) analysis of SAR images approaches. In addition, StaMPS software introduced by Hooper and others, in 2008 is able to combine these two methods in order to take advantages from both of this TS approaches in term of best signal correlation and reducing the signal noise errors. In this thesis, the time series studies of surface changes associate to differents geophysical phenomena will have two interest: the first is to highlight the PS and SBAS results and discuss the fiability of obtained InSAR signal with comparation with the previous studies of the same geophysical case or observations in the field and in the second time, the combined method will also validate the results obtained separately with differents TS techniques. The validation of obtained signal is assured by these two steeps: Both of PS and SBAS methods should give relatively the same interferograms and LOSdisplacement signal (in term of sign and values), in addition these results will be compared with the previous studies results or with observations on the field.In this thesis, the InSAR techniques are applied to different case-studies of small surface deformation [...]

Cette thèse porte sur l’application de la technique de corrélation de bruit sismologique ambiant pour l'imagerie et le suivi des réservoirs géothermiques de Rittershoffen (ECOGI) et de Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). La forte variabilité spatio-temporelle des sources du bruit de fond sismologique dans la gamme de période 0.2-7s limite la reconstruction des fonctions de Green. Cela induit des erreurs dans la construction des modèles de vitesse. Deux approches sont proposées pour s’affranchir des effets de la non-uniformité spatiale du bruit. Par ailleurs, la variabilité temporelle des sources de bruit est un facteur limitant pour le suivi du réservoir. On estime que les perturbations de vitesse doivent être de l’ordre de 0.1% à 1% pour pouvoir être détectées par les réseaux disponibles. Ce seuil n’a pas été franchi lors de la construction du site Rittershoffen mais une modification probable des propriétés diffractantes du milieu a été observée à la suite d’une stimulation
This work focuses on the application of the ambient seismic noise correlation technique for the imaging and monitoring of deep geothermal reservoirs near Rittershoffen (ECOGI) and Soultz-sous-Forêts (GEIE-EMC). The strong spatial and temporal variability of the noise sources in the period range 0.2-7s limits the reconstruction of the Green’s functions. This results in significant errors in the velocity models. Two approaches are proposed to overcome the spatial non-uniformity of the noise and to improve the quality of the velocity models. Besides that, the temporal variability of the noise sources is a limiting factor for monitoring purposes. We estimate that the speed variations should be larger than 0.1% to 1% to be detected by the available networks. This threshold was not reached at Rittershoffen during the drillings or the stimulations. However, a probable change of the diffracting properties of the medium was observed following a hydraulic stimulation

Les ondes de surface de période 10-100 secondes sont sensibles à la rigidité de la lithosphère échantillonnée. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des variations latérales de la lithosphère par l'analyse des ondes de surface. La longueur d'onde des variations latérales étudiées est de l'ordre de grandeur décakilométrique. Les méthodes habituellement utilisées avec des stations sismologiques espacées de plusieurs centaines de kilomètres ne sont donc plus satisfaisantes. C'est pourquoi nous avons développé des analyses dites de réseaux denses ou régionaux. Ainsi nous pouvons déterminer les variations latérales de la structure lithosphérique et étudier la propagation des ondes de surface à l'échelle régionale. Nous avons appliqué ces analyses de réseau pour trois études régionales différentes. Tout d'abord nous avons montré les variations brutales de la structure crustale de part et d'autre de la suture du Tsangpo au sud du plateau tibétain. Pour cela, nous avons analysé la vitesse de phase locale ainsi que les variations d'amplitude au travers de la suture. Au nord de la suture du Tsangpo nous avons déterminé une zone à moindre vitesse dans la croûte inférieure alors que nous ne l'observons pas au sud de la suture. Nous avons aussi étudié la lithosphère dans les Alpes françaises et nous avons montré qu'elle s'épaississait d'ouest en est, de 85 à plus de 200 km d'épaisseur sous l'axe de la chaîne alpine. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés aux anomalies de la propagation des ondes de surface dans cette région en dissociant les effets dus aux échelles globale et locale. Finalement, nous avons aussi travaillé sur la zone de Sorgenfrei-Tornquist qui sépare l'Europe phanérozoïque à l'ouest de l'Europe paléozoïque à l'est. Nous montrons qu'au sud-ouest de cette zone la lithosphère est peu épaisse, autour de 50-100 km, et qu'au nord-est elle atteint une épaisseur supérieure à 200 km sous le bouclier baltique. Au niveau de la transition, la lithosphère est épaisse de 120 km .

L'Afrique de l'est représente un site idéal pour étudier les mécanismes à l'origine de la mise en place et du maintien d'une région en extension. Le rift est africain marque la séparation intra-continentale entre les plaques Nubie et Somalie, dans un contexte principalement tectonique dominé par l'activité de failles normales, alors qu'au niveau des rides de la Mer Rouge et d'Aden l'Arabie se détache du couple de plaques Somalie/Nubie dans un contexte principalement magmatique avec accrétion océanique. Ces trois frontières de plaques se rejoignent au niveau de la dépression Afar. Elles forment une jonction triple qui correspond à une zone de transition entre une lithosphère continentale étirée et des axes d'accrétion océaniques où la présence du point chaud sous la lithosphère a fortement influencé l'extension. À partir de mesures et de traitements géodésiques (GPS, InSAR), l'objectif de ce travail de thèse est de décrire les mouvements actuels de la surface dans cette région de l'Afrique de l'est, où trois plaques s'éloignent les unes des autres, et où les différentes frontières de plaques sont à des stades différents de rifting. L'analyse de la déformation actuelle permet de préciser la dynamique des zones d'extension à court terme, en tenant compte de leur stade d'évolution et notamment des variations de l'activité magmatique et de l'activité sismique. Ainsi trois études ont été menées à des échelles spatiales différentes. La première porte sur l'ensemble du REA (3000 km), la seconde sur la partie centrale de la dépression Afar où se localise la jonction triple (quelques centaines de km), et la troisième sur le rift d'Asal Ghoubbet à Djibouti (quelques dizaines de km)
Eastern Africa is a natural laboratory for investigating rifting and break-up. Along the East African Rift, the divergence between Nubia and Somalia plates is accommodated within a mainly tectonic framework dominated by active normal faulting. While Arabia plate moves apart from the African plate couple at the Red Sea and Aden Ridges within a mainly magmatic framework with seafloor spreading. These three plate boundaries meet in Afar Depression forming a triple junction, which correspond to a transition zone between stretched continental lithosphere and oceanic spreading axes, where the role of the mantle plume impacts is determinant. In this thesis, current deformation of the Earth's surface is monitored using geodetics data (GPS, InSAR), in the East African zone where three plates are splitting apart and where the different boundaries encompass areas in all stages of rifting. The current deformation analysis allows clarify extension zone dynamics at short term, taking into account their stage of rifting evolution and especially the variations of magmatic and/or seismic activity. Three studies were carried out at three different spatial scales. The first one considers the whole East African Rift (3000 km), the second one is about the central part of the Afar Depression where the triple junction is situated (a few hundreds of km) and the third focuses on the Asal-Ghoubbet rift in Djibouti (a few tens of km)

Les risques d'éboulements doivent être évalués et surveillés afin de prévenir les pertes de vies humaines et dommages aux infrastructures. A cet égard, il est important de créer des catalogues d'événements et de comprendre la dynamique des éboulements. Les ondes sismiques peuvent être utiles à cette fin, car elles transmettent des informations précieuses sur l'événement. Elles sont générées lorsque des éboulements touchent le sol et peuvent être utilisées pour détecter, classer et localiser des événements. Plus encore, on peut déduire des propriétés des éboulements telles que leur volumes et leur comportement dynamique. Cependant, les signaux sismiques hautes fréquences (>1Hz) sont mal compris. En effet, ils sont associés à des sources sismiques complexes qui sont réparties dans l'espace et peuvent varier rapidement dans le temps. De plus, les ondes sismiques hautes fréquences sont susceptibles d'être diffusées et diffractées en raison des interactions avec les hétérogénéités du sol ou la topographie de surface. Cette thèse franchit une étape importante dans la compréhension des signaux sismiques hautes fré-quences des éboulements en simulant la propagation des ondes sismiques en utilisant la méthode des éléments spectraux (SEM) avec des profils de vitesse réalistes et des topographies de surface 3D. L'influence de la topographie sur le champ des ondes sismiques est étudiée. On constate que l'ampli-fication induite par la topographie est sensiblement différente entre les sources situées en profondeurs et celles situées en surface. En effet, les ondes de surface générées par des sources peu profondes sont exposées à une diffusion et à une diffraction constantes lorsqu'elles se déplacent le long de la surface. La désintégration de l'énergie le long de la surface est étudiée pour différents modèles de vitesse et des équations sont dérivées pour calculer rétroactivement l'énergie sismique totale rayonnée par la source. Ceci est intéressant du fait du lien entre l'énergie sismique et le volume d'éboulement. Afin de tenir compte des effets topographiques, il est proposé un facteur de correction qui peut être introduit dans le calcul de l'énergie. Les signaux sismiques générés par les éboulements du cratère Dolomieu du Piton de la Fournaise, à La Réunion, sont analysés. Les sismogrammes synthétiques sont utilisés pour identifier et interpréter les signaux observés qui sont générés par des impacts uniques. L'influence de la topographie sur les formes d'onde est démontrée et la sensibilité avec l'emplacement et la direction de la source est évaluée. Les caractéristiques du signal telles que les amplitudes et le contenu fréquentiel sont expliquées sur la base de la théorie du contact de Hertz. De plus, les rapports spectraux entre stations, calculés à partir des signaux sismiques d'éboulement, sont considérés comme caractéristiques de la position de la source. La comparaison avec les rapports spectraux simulés suggère qu'ils sont dominés par la propagation le long de la topographie plutôt que par le mécanisme de la source. Sur la base de ces résultats, une méthode est proposée pour la localisation des éboulements à l'aide de rapports énergétiques simulés entre stations. La méthode est appliquée pour localiser les éboulements dans le cratère de Dolomieu. La mise en œuvre de la méthode implique une fenêtre temporelle glissante qui permet une application simple sur des signaux sismiques continus. L'accent est mis sur la capacité de la méthode à surveiller l'activité des éboulements en temps réel
Rockfall hazard has to be evaluated and monitored in order to prevent loss of life and infrastructure. In this regard it is important to create event catalogs and understand rockfall dynamics. Seismic waves can help for this purpose as they carry valuable information of the event. They are generated when rockfalls impact the ground and can be used to detect, classify and locate events. Beyond that, rockfall properties such as their volume and their dynamic behavior can be inferred. Yet, high frequency seismic signals (>1Hz) are poorly understood. This is because they are associated to complex seismic sources which are spatially distributed and can rapidly vary over time. On top of this, high frequency seismic waves are prone to be scattered and diffracted due to interactions with soil heterogeneities or surface topography. This thesis takes an important step forward to enhance understanding of high frequency rockfall seismic signals by simulating seismic wave propagation on domains with realistic velocity profiles and 3D surface topographies using the Spectral Element Method (SEM). The influence of the topography on the seismic wave field is investigated. It is found that topography induced amplification is substantially different between deep sources and sources located at the surface. This is because surface waves generated by shallow sources are exposed to constant scattering and diffraction when traveling along the surface. The energy decay along the surface is investigated for different velocity models and equations are derived to back-calculate the total seismic energy radiated by the source. This is of interest as the rockfall seismic energy is related to the rockfall volume. In order to account for topography effects, a correction factor is proposed which can be introduced in the energy calculation. Observed seismic signals generated by rockfall at Dolomieu crater on Piton de la Fournaise volcano, La Réunion, are analyzed. Synthetic seismograms are used to identify and interpret observed signals generated by single impacts. The influence of topography on the waveforms is demonstrated and the sensitivity on source location as well as source direction is evaluated. Signal characteristics such as amplitudes and frequency content are explained based on Hertz contact theory. Additionally, inter-station spectral ratios computed from rockfall seismic signals are shown to be characteristic of the source position. Comparison with simulated spectral ratios suggest that they are dominated by the propagation along the topography rather than the mechanism of the source. Based on these findings, a method is proposed for the localization of rockfalls using simulated inter-station energy ratios. The method is applied to localize rockfalls at Dolomieu crater. The implementation of the method involves a sliding time window which allows a straightforward application on continuous seismic signals. The potential of the method to monitor rockfall activity in real-time is emphasized

Une onde sismique se propageant dans un milieu poreux contenant un uide crée un mouvement relatif entre ce uide et la matrice solide. En transportant les ions présents en excès dans la double couche électrique, ce mou- vement relatif crée un courant d'électro ltration. Ce phénomène électrocinétique, survenant à l'échelle microscopique, est à l'origine d'au moins deux types de conversions sismo-électromagnétiques observables à l'échelle macroscopique. D'une part, il donne naissance à des champs électromagnétiques cosismiques accompagnant l'onde sismique perturba- trice. D'autre part, lorsqu'une onde sismique traverse une interface séparant deux milieux de propriétés mécaniques, électriques ou hydrologiques di érentes, elle génère une discontinuité du potentiel de part et d'autre de cette interface, qui agit comme une source électromagnétique dipolaire. Les réponses interfaciales ainsi créées voyagent à des vitesses électromagnétiques et sont observées presque simultanément par tous les récepteurs. Cette thèse s'attache à la com- préhension de ces phénomènes et au développement des méthodes d'imagerie géophysique basées sur les conversions sismoélectromagnétiques. Deux axes de travail sont investigués. Le premier concerne le traitement des données sismoélectromagnétiques et en particulier l'extraction des réponses interfaciales, qui peuvent renseigner sur le sous-sol en profondeur. Nous comparons l'impact de plusieurs méthodes de ltrage sur les amplitudes et les formes d'onde des réponses interfaciales. Nous introduisons également une nouvelle technique de séparation d'ondes en domaine des curvelets, qui s'appuie sur les similarités entre les données sismiques et cosismiques. D'autre part, la théorie de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques est limitée aux milieux poreux saturés. Nous l'étendons ici à des milieux partiellement saturés, pour le cas d'un mélange air/eau, en calculant les propriétés mécaniques e ectives du mélange et en écrivant la conductivité électrique, la permittivité diélectrique et le couplage sismoélectrique en fonction de la saturation en eau. Nous adaptons aux conditions non-saturées un programme de simulation numérique des ondes sismo-électromagnétiques basé sur la méthode de la ré ectivité générale. Mots clés : Géophysique de proche surface - Signaux sismo-électromagnétiques - Milieux poreux - Ondelettes - Séparation d'ondes - Modélisation numérique - Zone non-saturée

Les signaux électroencéphalographiques enregistrés chez les patients épileptiques reflètent, en dehors des périodes correspondant aux crises d'épilepsie, des signaux transitoires appelés "activités épileptiformes" (AE). L'analyse des AE peut contribuer à l'étude des épilepsies partielles pharmaco-résistantes. Une méthode de caractérisation de la dynamique spatio-temporelle des AE dans des signaux EEG de profondeur est présentée dans ce document. La méthode est constituée de quatre étapes:

1. Détection des AE monovoie. La méthode de détection, qui repose sur une approche heuristique, utilise un banc de filtres en ondelettes pour réhausser la composante pointue des AE (généralement appelée "spike" dans la littérature). La valeur moyenne des statistiques obtenues en sortie de chaque filtre est ensuite analysée avec un algorithme de Page-Hinkley dans le but de détecter des changements abrupts correspondant aux spikes.

2. Fusion des AE. Cette procédure recherche des co-occurrences entre AE monovoie à l'aide d'une fenêtre glissante puis forme des AE multivoies.

3. Extraction des sous-ensembles de voies fréquement et significativement activées lors des AE multivoies (appelés "ensembles d'activation").

4. Evaluation de l'éxistence d'un ordre d'activation temporel reproductible (éventuellement partiel) au sein de chaque ensemble d'activation.

Les méthodes proposées dans chacune des étapes ont tout d'abord été évaluées à l'aide de signaux simulés (étape 1) ou à l'aide de models Markoviens (étapes 2-4). Les résultats montrent que la méthode complète est robuste aux effets des fausses-alarmes. Cette méthode a ensuite été appliquée à des signaux enregistrés chez 8 patients (chacun contenant plusieurs centaines d'AE). Les résultats indiquent une grande reproductibilité des distributions spatio-temporelles des AE et ont permis l'identification de réseaux anatomo-fonctionnels spécifiques.

On étudie la pulvérisation numérique de jets et de nappes liquides. Dans la première partie une revue bibliographique du problème présente la théorie des instabilités de Kelvin-Helmholtz et différents résultats expérimentaux antérieurs. Dans le seconde partie on présente différentes méthodes numériques : technique de suivi d'interface (Volume of Fluid), de calculs des efforts de tension de surface (CSF) et de résolution des équations de Navier-Stokes (Mac Cormack). La dernière partie décrit une méthode particulaire (SPH) permettant de traiter des interactions d'écoulements liquides et gazeux. Les principaux phénomènes interfaciaux, tels que la tension de surface et la vaporisation sont pris en compte. Des calculs 2D et 3D de déformation de jets liquides dans les écoulements gazeux supersoniques sont analyses et comparés avec des résultats expérimentaux.

碩士
國立成功大學
地球科學系
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Clay models were used to discuss the characteristics of surface ruptures of the Chi-Chi earthquake. Great correlations between the field observation and modeling results were obtained. Modeling results imply that the N30W trending Snnyi-Puli shear zone, which located in area between the Taan and Tachia rivers is the major factor to control the surface ruptures bending at Fongyuan. Besides, the Peikang Basement High is the key to cause surface ruptures eastern-shifting in the area close to the Dali.

Les méthodes tomographiques habituellement employées en sismologie nécessitent des enregistrements de séisme. Or de larges zones sur Terre sont asismiques : faute de séisme nous ne pouvons les étudier avec une bonne résolution.

Nous testons ici une approche radicalement différente : il s'agit d'imager la croute terrestre à partir d'enregistrements de bruit de fond sismique. En effet, la corrélation entre deux points A et B d'un bruit blanc généré en tout point du milieu est la fonction de Green complète du milieu entre A et B. On pourrait ainsi mesurer la vitesse des ondes sismiques entre n'importe quel couple de points de la surface.

Nous présentons tout d'abord la théorie formalisant le lien entre corrélation de bruit et fonction de Green. Nous étudions ensuite l'origine du bruit de fond sismique sur la bande de période 5-40s afin de voir si il respecte ou non les exigences de la théorie. Après avoir évalué la précision des mesures de la vitesse des ondes de surface réalisées grace aux corrélations de bruit, nous étudions les Alpes. Enfin nous montrons que nos résultats peuvent etre amélioré en
recorrélant les corrélations.

La mise en oeuvre de diverses techniques d'analyse des données sismologiqucs des campagnes Lithoscope, BANJO et SEDA ont permis d'étudier la structure lithosphérique des Andes Centrales. Dans la première partie, nous posons la problématique liée à l'existence des Andes Centrales et de leur trait le plus remarquable qu'est l'Altiplano-Puna. Dans la seconde partie, nous mettons en évidence l'existence d'anomalies de propagation des phases régionales Pg et Lg. Une régionalisation du facteur de qualité moyen Q de la croutee est effectuée pour cartographier ces anomalies. Cette étude met en évidence les fortes valeurs de l'atténuation dans l'Altiplano et à sa bordure est. L'analyse de la dépendance fréquentielle de Q réalisée afin d'évaluer l 'importance respective de l'ab_ sorption anélastique et de la diffraction dans l'atténuation apparente aboutit à la prédominance de la diffraction, minimisant la quantité de fusion partielle. La troisième partie est consacrée à la détermination de la structure en vitesse des ondes S dans la lithosphère au travers des Andes Centrales par analyse-des courbes de dispersion des ondes de surface. Cette étude a révélé l'existence danomalies de vitesse en ondes S dans la croûte et dans le manteau. Enfin, nous avons étudié la géométrie du Moho par l'analyse des fonctions récepteurs et nous nous sommes intéressés à la propagation des ondes Pn en tant que marqueur des variations latérales de la géométrie du Moho.