Dissertations / Theses on the topic 'Inversion complète de la forme d'onde'

Le suivi temporel est un processus d'acquisition et d'analyse d'acquisitions multiples répétées au même endroit sur la même cible à différentes périodes de temps. Cela s'applique bien à l'exploration sismique quand les propriétés de la cible varient au cours du temps comme pour les réservoirs pétroliers. Cette technique de sismique, dite 4D en raison de l'intégration du temps dans la construction des images, permet une détection et une estimation des variations du sous-sol survenues lors de l'évolution en temps du milieu. En particulier, dans l'industrie, le suivi et la surveillance peuvent améliorer notre compréhension d'un réservoir de pétrole/gaz ou d'un site de stockage de CO2. Analyser la sismique 4D peut aider à mieux gérer les programmes de production des réservoirs. Ainsi, des acquisitions répétées permettent de suivre l'évolutiondes fronts de fluide injectés: on peut optimiser les programmes d'injection de fluides pour une récupération améliorée des hydrocarbures (enhanced oil recovery). Plusieurs méthodes ont été développées pour l'imagerie variable dans le temps en utilisant les informations des ondes sismiques. Dans ma thèse, je montre que l'inversion de forme d'onde complété (FWI) peut être utilisée pour cette imagerie. Cette m'méthode offre des images sismiques quantitatives haute résolution. Elle est une technique prometteuse pour reconstruire les petites variations de propriétés physiques macro-échelle du sous-sol. Sur une cible identifiée pour ces imageries 4D, plusieurs informations a priori sont souvent disponibles et peuvent être utilisées pour augmenter la résolution de l'image. J'ai introduit ces informations grâce à la définition d'un modèle a priori dans une approche classique FWI en l'accompagnant de la construction d'un modèle d'incertitudes a priori. On peut réaliser deux reconstructions indépendantes et faire la différence les reconstruits: on parle de différence parallèle. On peut aussi effectuer une différence séquentielle o'u l'inversion de l'ensemble de données de la second acquisition, dite moniteur, se fait 'a partir du modèle de base et non plus à partir du modèle utilisé initialement. Enfin, l'approche double-différence conduit à l'inversion des différences entre les deux jeux de données que l'on rajoute aux données synthétiques du modèle de base reconstruit. J'étudie quelle stratégie est à adopter pour obtenir des changements vitesse plus précis et plus robustes. En plus, je propose une imagerie 4D ciblée en construisant un modèle d'incertitude a priori grâce 'a une information (si elle existe) sur la localisation potentielle des variations attendues. Il est démontré que l'inversion 4D ciblée empêche l'apparition d'artéfacts en dehors des zones cibles: on évite la contamination des zones extérieures qui pourrait compromettre la reconstruction des changements 4D réels. Une étude de sensibilité, concernant l'échantillonnage en fréquence pour cette imagerie 4D, montre qu'il est nécessaire de faire agir simultanément un grand nombre de fréquences au cours d'un cycle d'inversion. Ce faisant, l'inversion fournit un modèle de base plus précis que l'approche temporelle, ainsi qu'un modèle des variations 4D plus robuste avec moins d'artéfacts. Toutefois, la FWI effectuée dans le domaine temporel semble être une approche plus intéressante pour l'imagerie 4D. Enfin, l'approche d'inversion 4D régularisée avec un modèle a priori est appliquée sur des ensembles de données réelles d'acquisitions sismiques répétées fournis par TOTAL. Cette reconstruction des variations locales s'inscrit dans un projet d'injection de vapeur pour améliorer la récupération des hydro-carbures: Il est possible de reconstituer des variations de vitesse fines causées par la vapeur injectée.

L'inversion de forme d'onde complète (FWI) est un processus non-linéaire et mal posé d’ajustement de données, dans notre cas, issues d’acquisitions simiques. Cette technique cherche à reconstruire, à partir d’un modèle initial obtenu à faible nombre d’onde (faible résolution), des paramètres constitutifs contrôlant la propagation des ondes à grands nombres d’ondes (forte résolution). Durant ce processus itératif, certains artéfacts peuvent altérer la qualité du modèle reconstruit. Afin de diminuer ces artéfacts et d’assurer une reconstruction des paramètres qui soit cohérente d’un point de vue géologique, différentes techniques de pré-conditionnement ou de régularisation peuvent être proposées.Cette thèse se focalise sur le potentiel de nouveaux filtres multi-dimensionnels construits dans l’espace des nombres d’ondes et orientés suivant les structures géologiques. Une stratégie de pré-conditionnement a été mise au point à l’aide de ces filtres et a été appliquée avec succès à la problématique FWI. La formulation analytique 1D de l’opérateur inverse de covariance laplacienne (Tarantola, 2005) constitue la base de la formulation d’opérateurs de dimension supérieure qui sont validés ici en les comparants avec l’opérateur analytique de covariance laplacienne 1D. Nous avons utilisé cette fonction analytique inverse 1D comme la base de filtrage de dimension supérieure, via l’addition de multiples fonctions inverses orientées orthogonalement. Ces fonctions laplaciennes inverses additionnelles (AIL) sont obtenues pour des configurations 2D et 3D après discrétisation par des techniques de différences finies. Nous montrons que l’on peut calculer un filtre en nombre d’onde de manière rapide et robuste en résolvant le système linéaire associé à ces opérateurs inverses. Lorsque des pentes sont inclues à l’étape de discrétisation par différences finies, il est alors possible d’utiliser ces opérateurs comme des filtres en nombre d’ondes orientés vers les structures géologiques, ceci avec une grande efficacité.Ce filtre (AIL) montre des propriétés rapides de convergence et des performances indépendantes du vecteur à filtrer. Nous montrons notamment comment ce filtre peut être utilisé comme un opérateur utile pour le gradient associé à la FWI. Le pré-conditionnement du gradient peut atténuer les effets du problème mal-posé qui vont s’étendre dans l’espace des modèles. Deux exemples synthétiques (Valhall et Marmousi) calculés dans l’espace des fréquences sont proposés dans cette thèse. Le pré-conditionnement AIL s’avère efficace pour atténuer d’une part la signature mal-posée provenant de la présence de bruit ambient dans les données observées et d’autre part d’artéfacts liés aux effets de repliement spatial liés aux conditions d’imagerie par FWI. La possibilité d’inclure des pentes permet de filtrer de manière préférentielle en considérant des pendages géologiques. Cette stratégie de filtrage permet l’atténuation d’artéfacts, tout en préservant le contenu en nombre d’ondes de la stratigraphie orthogonale au pendage.Un cas réel d’inversion 2D FWI est finalement abordé permettant tout d’abord d’illustrer la sensibilité des résultats d’inversion au modèle initial. Celui-ci est d’importance majeure, particulièrement dans les régions profondes dépassant la pénétration maximale des ondes transmises. L’application de la technique FWI à cette acquisition sismique a permis d’améliorer de manière significative la cohérence sur une image migrée par renversement du temps (RTM). Nous montrons également que le pré-conditionneur AIL permet une décroissance significative du nombre de tirs requis à modéliser dans la boucle d’inversion, sans pour autant dégrader le contenu en nombre d’onde des structures géologiques principales dans les résultats finaux obtenus après inversion
Full waveform inversion (FWI) is a non-linear, ill-posed, local data fitting technique. FWI looks to moves from an initial, low-wavenumber representation of the earth parameters to a broadband representation. During this iterative process a number of undesirable artifacts can map into our model parameter reconstruction. To mitigate these artifacts and to ensure a geologically consistent model parameter reconstruction, various preconditioning and/or regularization strategies have been proposed.This thesis details the construction of new, efficient, multi-dimensional, structurally-orientated wavenumber filters. A preconditioning strategy has been devised using these filters that we have successfully applied to FWI. The 1D analytical inverse Laplacian covariance operator (Tarantola, 2005) forms the basis of higher dimensional operators and is initially validated by comparing to the 1D analytical Laplacian covariance operator. We use this analytical 1D inverse function as the basis for higher dimensional filtering via the addition of multiple, orthogonally orientated inverse functions. These additive inverse laplacian functions (AIL) are shown in 2D and 3D configurations and are discretized using finite-difference techniques. We show that one can calculate, a rapid and robust wavenumber filter, by solving the linear system associated with these inverse operators. When dip is included at the finite difference discretization stage, it is possible to use these operators as highly efficient, structurally orientated wavenumber filters.The AIL filter is shown to be rapid to converge and its performance is independent of the vector to be filtered. We show, that the filter can be a useful preconditioning operator for the FWI gradient. Preconditioning the gradient can mitigate against ill-posed effects mapping into the model-space. Two synthetic (Valhall and Marmousi) frequency domain FWI example are shown in this thesis. The AIL preconditioner has success at mitigating the ill-posed imprint coming from ambient noise in the observed data and also artifacts from spatial aliasing effects in the FWI imaging condition. The ability to include dip, allows one to preferentially filter along geological dip. This filtering strategy allows the mitigation of artifacts, while simultaneously preserving the stratigraphic based wavenumber content that is orthogonal to dip.A 2D, real data FWI case-study is also shown and we highlight the sensitivity of the inversion result to the initial model. The initial model is of key importance, this especially true in the areas deeper than the maximum penetration of transmitted waves. The application of FWI on this line is able to significantly improve gather alignment on a RTM, migrated image. We also see that the AIL preconditioner can allows us to significantly decrease the number of shot records we are required to model in our inversion workflow without degrading the key geological wavenumber content in the final inversion result

L'inversion des formes d'ondes complètes (Full Waveform Inversion (FWI)) est devenue l'approche d'imagerie de référence en exploration géophysique. La FWI est une méthode d'imagerie non destructive estimant les propriétés d'un milieu à partir des ondes. Mathématiquement, elle se formule comme un problème d'optimisation fondé sur la diffraction pour l'estimation des paramètres contenus dans les coefficients de l'équation d'onde traitée comme une contrainte. La FWI est résolue itérativement avec des approches locales en raison de la taille de l'espace des données et des paramètres. Pour des raisons de coût calcul, l'espace de recherche est classiquement projeté sur l'espace des paramètres par élimination de variable générant un problème fortement non linéaire. Cette nonlinéarité résulte de l'approximation de Born avec laquelle les dérivées partielles des données par rapport aux paramètres prédisent les résidus à savoir les données diffractées mesurées à l'itération courante. Cette approximation nécessite que les données simulées prédisent les données observées avec des écarts de temps inférieurs à la demi période (critère de "cycle skipping"). Cette thèse porte sur la méthode de reconstruction de champs d'onde (Wavefield Reconstruction Inversion (WRI)). La WRI étend le régime linéaire de la FWI en estimant des champs d'onde qui vérifient le critère de "cycle skipping" par assimilation de données. Pour cela, les champs d'onde sont calculés dans le milieu initial avec des sources étendues formées par la somme de la source expérimentale et la source volumique qui produirait le champ d'onde diffracté par les perturbations manquantes dans le milieu initial. Ces sources volumiques sont estimées en ajustant les résidus avant de pousser les paramètres vers le vrai milieu en minimisant ces sources. Cette thèse présente une synthèse mise à jour de ces principes. L'optimisation est formulée avec la méthode des multiplicateurs de Lagrange avec directions alternées (ADMM) où les champs d'ondes, le milieu et les multiplicateurs de Lagrange sont mis à jour de manière alternée et des régularisations sont implémentées avec des algorithmes proximaux. Le comportement de la méthode est disséqué avec plusieurs exemples numériques. Le premier montre la résilience de la WRI au "cycle skipping" avec une acquisition circulaire idéale. Le deuxième utilise une acquisition de surface pour illustrer comment la WRI reconstruit progressivement le milieu des niveaux superficiels vers les niveaux profonds comme conséquence du calcul des champs d'onde par "migration/démigration" des résidus depuis les récepteurs. Ensuite, l'apport des dispositifs à forts déports pour formuler une WRI bien posée tout en évitant le "cycle skipping" est illustrée. La sensibilité de la WRI au paramètre de pénalité et les performances relatives de la FWI et de la WRI sont analysées avec le modèle Marmousi. Le rôle d'une régularisation par variation totale pour reconstruire des milieux complexes contenant des corps de sel est illustrée dans le cadre de la WRI. La WRI est finalement testée à l’échelle régionale où le nombre de longueurs d'ondes propagées nécessite une pondération des résidus sur les sources pour implémenter une approche de "layer stripping". Finalement, la WRI est évaluée avec des données réelles 2D de fond de mer. Bien que la configuration 2D soit peu favorable, la WRI montre des résultats supérieurs à la FWI dans sa capacité à expliquer un log de puits et à reconstruire la géométrie du horst constituant le réservoir. La perspective immédiate est l'implémentation de la WRI en 3D pour mettre à jour les conclusions tirées de cette première application
Full Waveform Inversion (FWI) has become the cornerstone of seismic imaging workflows in exploration geophysics. FWI is a non destructive imaging device that estimates properties of a medium from waves. Mathematically, FWI is an inverse scattering problem formulated as a constrained data fitting problem for the estimation of the parameters contained in the coefficients of the wave equation constraint. FWI is generally solved with iterative local optimization methods due to the size of the data and parameter spaces. As solving FWI with the method of Lagrange multipliers is expensive, the full search space is classically projected onto the parameter space by variable projection leading to a highly nonlinear problem. This nonlinearity results from the single-scattering Born approximation with which partial derivative data simulate the measured scattered data or data residuals. This approximation requires to satisfy the cycle skipping criterion, that is the simulated data should predict the recorded data with phase errors less than pi. This thesis deals with the wavefield reconstruction inversion (WRI) method, which extends the linear regime of FWI by reconstructing wavefields that are closer to the true wavefields and match the observables without cycle skipping. To this end, wavefields are computed in the initial medium with extended sources given by the sum of the experimental sources and an approximation of the volume sources that would generate the scattered fields by the sought model perturbation at the current iteration. The volume sources are estimated by solving an upstream scattered-data fitting problem before pushing the parameters towards the true ones by minimizing the source extensions. This thesis first provides an update overview of these principles. The optimization problem is formulated with the alternating-direction method of multipliers (ADMM) where the wavefields, the parameters and the Lagrange multipliers are updated with alternating directions and nonsmooth regularization is implemented with proximal algorithms. Then, the behavior of WRI are illustrated with synthetic benchmarks. The first illustrates how WRI manages cycle skipping with a full-aperture circular acquisition. Then, a surface acquisition illustrates how WRI reconstructs progressively the medium from shallow to deep areas. This results because the wavefields are computed by backward/forward propagation of the data residuals from the receivers in the inaccurate background medium. Then, the benefit of long-offset acquisition to perform well-posed WRI while avoiding cycle skipping is shown. The fourth test illustrates the sensitivity of WRI to the penalty parameter controling the relative weight of the data and source misfit functions and compare the results of WRI and FWI. Then, the role of sparsity-promoting regularization to reconstruct complex media containing salt bodies is illustrated. Finally, WRI is assessed at the regional scale where the size of the domains leads to hundred of propagated wavelengths and the inversion is stabilized with weighting operator in the source misfit function. Finally, WRI is assessed with a 2D real dataset from the OBN Gorgon survey, Australia. Although the results were impeded by the 2D configuration, the ability of WRI to match arbitrarily well the data is shown while WRI outperforms FWI as highlighted by a better match of well logs and sharper reconstruction of the Gorgon horst at reservoir levels. Perspectives are the efficient numerical implementation of WRI allowing for application on 3D real data to refine the conclusions drawn from this first real data application

En raison de divers processus géologiques et de mouvements crustaux, les interfaces rugueuses existent largement dans la Terre. Une interface rugueuse peut affecter fortement la propagation des ondes sismiques par des changements d'amplitude, de phase, d'angle de diffusion, du contenu en fréquence et même de conversion de type d'onde. Inévitablement, la qualité de l'imagerie sismique ou de l'inversion en est fortement influencée. Malgré les nombreux travaux consacrés à l'interaction des ondes avec des interfaces rugueuses, cette interaction est loin d’être comprise, car il est encore difficile de modéliser la propagation des ondes sismiques dans un tel contexte et par conséquent de reconstruire correctement le sous-sol. Cette thèse étudie l'effet des interfaces rugueuses sur la modélisation et l'imagerie des ondes sismiques et explore le potentiel d'une méthode électromagnétique pour s’affranchir de cet effet et ainsi mieux imager le sous-sol.Nous utilisons une méthode numérique basée sur les éléments finis spectraux, et plus précisément le code SPECFEM2D, qui permet de modéliser la propagation des ondes acoustiques dans le domaine temporel. Tout d'abord, nous considérons un réseau sinusoïdal et illustrons numériquement les conséquences de l'équation de réseau sur les signaux temporels. Ensuite, en utilisant l'analyse f-k, nous montrons le positionnement des différents ordres de diffraction dans le domaine fréquence-nombre d'onde. Après une analyse de sensibilité, nous sélectionnons une configuration appropriée qui permet la séparation des ordres de diffraction à partir d’un shot gather. Enfin, il est montré que la hauteur de rugosité et la longueur de corrélation influencent manifestement l'apparence du champ d'onde diffracté. Cependant, la longueur de corrélation a moins d'effet sur l'énergie des ondes diffractées que la rugosité d'interface.Nous utilisons un schéma d'inversion de forme d'onde complète (FWI) basé sur le logiciel DENISE afin d’étudier l'influence de la hauteur de rugosité et de la longueur de corrélation sur les résultats d'imagerie sismique. Lorsque la hauteur de rugosité augmente jusqu'à atteindre la longueur d'onde dominante ou plus, le bruit aléatoire domine dans les données sismiques, et les résultats FWI se détériorent considérablement, en particulier pour la reconstruction d'un réflecteur horizontal situé sous l'interface rugueuse. En revanche, la longueur de corrélation a un effet beaucoup plus faible sur le bruit aléatoire et la qualité des résultats inversés.Comme démontré dans ce travail, la rugosité de l'interface a un impact majeur sur la propagation et l'imagerie des ondes sismiques. Lorsqu'une interface rugueuse est présente dans le sous-sol, son effet doit être examiné de manière critique dans le cadre de la FWI, afin de reconstruire correctement les réflecteurs éventuellement situés en dessous, puis d'interpréter correctement les images du sous-sol. Dans ce contexte, nous effectuons des tests préliminaires sur l'utilisation d'une méthode d'extinction sélective visant à enlever l'impact de la rugosité sur les champs d'ondes. Les résultats sont prometteurs et montrent le potentiel de la méthode pour une meilleure imagerie. De plus, l'écart type de l'amplitude des données traitées semble pouvoir être utilisé pour évaluer les caractéristiques de l'interface rugueuse, ce qui présenterait également un intérêt important pour les géophysiciens et les géologues
Due to various geological processes and crustal movements, rough interfaces widely exist within the Earth. The rough interface can strongly affect seismic wave propagation, manifested as changes in the amplitude, phase, scattering angle, frequency content, and even the wave-type conversion. Inevitably, the quality of seismic imaging or inversion is also greatly influenced. Despite the numerous works devoted to the interaction of waves with rough interfaces, this interaction remains to be better understood, as it is still quite challenging to model the seismic wave propagation and to properly reconstruct the subsurface. The thesis investigates the effect of rough interfaces on seismic wave modeling and imaging, and explores the potential of an electromagnetic method to remove this effect and to better image the subsurface.We use a spectral-element method, and more specifically the code SPECFEM2D, for modeling acoustic wave propagation in the time domain. First, we consider a sinusoidal grating and illustrate numerically the consequences of the grating equation on the temporal signals. Then, using f-k analysis, we show the location of the different diffraction orders in the frequency-wavenumber domain. After a sensitivity analysis, we select an appropriate configuration that allows for the separation of diffraction orders from a shot gather. Last, both roughness height and correlation length are shown to obviously influence the appearance of the diffracted wavefield. However, the correlation length has less effect on the energy of the diffracted waves than the interface roughness.We adopt a full-waveform inversion (FWI) scheme based on the software package DENISE to study the influence of different roughness heights and correlation lengths on seismic imaging results. When the roughness height increases up to the dominant wavelength or is greater, the random noise dominates in the seismic data, and the FWI results significantly deteriorate, especially for the reconstruction of a horizontal reflector located below the rough interface. In contrast, the correlation length has a much smaller effect on both random noise and quality of the inverted results than the roughness height. As shown here, the interface roughness has a major impact on both seismic wave propagation and imaging. When a rough interface is expected to be present in the subsurface, its effect should be critically considered in FWI, in order to properly reconstruct reflectors possibly located below, and then to properly interpret images of the subsurface. In this context, we perform some preliminary tests on the use of a selective extinction method to remove the impact of the roughness on the wavefields. The results are promising and show the potential of the method for better imaging. In addition, the standard deviation of the amplitude of the processed data may be used to evaluate the characteristics of the rough interface, which is also of interest for geophysicists and geologists

L'arrivée des panaches et la naissance des points chauds à la surface de la terre serait probablement la cause de la fragmentation de la Pangée il y a environ 200Ma, au cours du jurassique. Le Gondwana était formé de plusieurs masses continentales telles que l'Afrique, l'Australie, l'Inde et l'Antarctique. La fin du crétacé a été affectée par une crise biologique causée par un cataclysme volcanique et/ou dû à astéroïde, qui a provoqué la disparition d'environ 90% des vies sur terre, y compris celle des dinosaures, et a produit les trapps du Deccan en Inde, d’une superficie d'environ 2 millions de km^2 et d'une épaisseur de 2,5-3 km. C'est de ce désastre qu'à vu le jour le point chaud de la Réunion il y a environ 65 Ma, la plaque indienne a alors amorcé sa dérive vers le nord avec une vitesse d’environ 18-20 cm/an, et la fermeture de l'océan Téthys s'amorça au devant de la plaque indienne, cependant la remontée des laves basaltiques sous les rides forma un nouveau plancher océanique derrière la plaque indienne: c'était alors la naissance de l’océan Indien. En 1953, le chercheur canadien Tuzo Wilson a suggéré qu'un tel volcan intra-plaque serait dû à un point chaud fixe dans le manteau capable de créer des chapelets d'îles volcaniques à la surface lorsqu'une plaque lithosphérique passe au-dessus; plus tard en 1971, Jason Morgan a suggéré que les points chauds sont alimentés par des panaches thermiques en provenance de la limite noyau-manteau dus à des instabilités thermiques. Le but de cette thèse est d’investiguer l'état actuel du panache Réunionnais dans toute l'étendue de l’océan indien, responsable de nombreuses îles volcaniques comme les Maldives, Maurice et La Réunion. En appliquant les techniques d'inversion de forme d'onde, nous sommes capables d'imager la structure de la terre sous la Réunion jusqu'au manteau inférieur. Nous utilisons les données RHUM-RUM ainsi que des données collectées via la FDSN (Federation of Digital Seismograph Networks) data center. Nous avons bâti le problème direct à l'aide des éléments spectraux. Pour ce cas régional, nous utilisons la code RegSEM (Regional spectral element method) afin de calculer des sismogrammes synthétiques qui sont ensuite comparés aux sismogrammes réels. Nous avons sectionné la forme d'onde en plusieurs paquets d'ondes, chaque paquet d'onde correspond à un mode spécifique. Nous inversons pour deux paramètres, la vitesse isotrope et l'anisotropie radiale. Le résultat montre une zone importante d'anomalie de vitesse lente s'étendant de l'Est à l'Ouest sur près de ~ 2100 km dans le bassin des Mascareignes à une profondeur de 200 km. Notre modèle met également en évidence un panache sous le point chaud de la Réunion doté d'une tête épaisse dans le manteau supérieur et d'une queue étroite ancrée dans le manteau inférieur. Notre modèle apporte une lumière sur la connexion entre le panache Réunionnais et la LLSVP (Large Low Shear Velocity Province) Sud-Africaine, ainsi qu'entre l'anomalie des Mascareignes et la base du manteau inférieur
The arrival of some plumes and the birth of hotspots at the Earth surface is more likely the cause of the break up of the Pangea ~200 Ma ago, during the jurassic era. The Gondwana was formed by many continental masses like Africa, Australia, India and Antarctic. The late cretaceous was affected by a biological crisis caused by a volcanic and/or asteroid cataclysm which provoke the disappearance of 90% of life on the Earth including dinosaurs, and produced India Deccan trapps with an area of 2 millions km^2 and thickness of 2.5-3 km. This volcanic disaster was associated with the birth of la Réunion hotspot ~65 Ma years ago, from there the india plate entered into the northward migration with a velocity of about 18-20 cm/year, and the closure of the Tethys ocean in front of the indian plate started; in the meantime the raising of basaltic lava from the indian ridges formed a new ocean floor behind the indian plate: this was the birth of indian ocean. In 1953 the Canadian researcher Tuzo Wilson suggested that such an intra-plate volcano may be due to a fixed hotspot in the mantle capable to create successive volcano on the surface; later in 1971 Jason Morgan suggested that the hotspot is fed by a mantle plume rising from the core-mantle boundary due to thermal instabilies. The goal of this thesis is to investigate the actual state of the plume in the entire indian ocean, responsible of many volcanic islands such as Maldives, Maurice and Réunion. By applying waveform inversion we are able to image the earth structure down to the lower mantle; we use Rhum-Rum data and also data collected from FDSN (Federation of Digital Seismograph Networks) data center to perfom our inversion. We perform the forward modelling with the spectral element method. For this regional case we use RegSEM (regional spectral element method) to compute synthetic seismograms that were compared to real seismograms later on. We divided the waveform into several wavepackets, each wavepacket corresponds to a specific mode. We inverted for two parameters, isotropic velocity and radial anisotropy.The result shows a large velocity anomaly channel extending from East to West over nearly ~2100 km in the Mascarene basin at a depth of 200 km. Our model also bring to light a plume under the Reunion hotspot with a broad head in the upper mantle and a narrow tail anchored in the lower mantle. Our model sheds light on the connection between the Reunion plume and the South African LLSVP (Large Low Shear Velocity Province), as well as between the Mascarene anomaly and the base of the lower mantle

La technologie à ultrasons constitue un moyen abordable de mettre en œuvre des solutions non invasives pour évaluer de manière diagnostique les caractéristiques mécaniques de l'os. Dans cette thèse nous introduisons la poursuite orthogonale (OMP) pour obtenir une reconstruction robuste de la forme d'onde de chaque écho après rebond sur les faces externe et interne de l'os cortical. Le temps de vol et les fréquences centrales des échos sont utilisés pour calculer l'atténuation normalisée à large bande (nBUA). Des mesure in vivo ont été effectuées avec succès en mode écho et des données de référence ont été obtenues à partir de mesures HR-pQCT (épaisseur corticale, vBMD). Il est ainsi apparu que Ct.Th et nBUA étaient fortement corrélés aux valeurs d'épaisseur de référence (r2=0,90), respectivement. La deuxième contribution principale de ces travaux consiste en l'utilisation de la méthode TDTE (Time Domain Topological Energy) et de la migration dans l'imagerie de l'os cortical. L'approche TDTE montre de bonnes performances dans l'imagerie de la structure de l'os cortical (faces interne et externe de l'os, ainsi que la structure poreuse à l'intérieur de l'os). La migration quant à elle peut fournir une distribution quantitative approximative de la densité, de la vitesse de compression et de la vitesse de cisaillement
Ultrasound technology provides an affordable means to implement non-invasive solutions to diagnostically assess the mechanical characteristics of the bone. In this thesis we introduce Orthogonal Matching Pursuit (OMP) to obtain a robust reconstruction of the waveform of each echo bouncing off the cortical bone surfaces. Echoes' time-of-flight and central frequencies are used to calculate Ct.Th and normalized broadband attenuation (nBUA). In vivo measurements have been successfully performed with pulse-echo ultrasound and reference data wase obtained with HR-pQCT (cortical thickness, vBMD). Ct.Th and nBUA were highly correlated to reference thickness values (r2=0.90) and vBMD (r2=0,90), respectively. The second main contribution is that we introduce Time Domain Topological Energy (TDTE) method and migration into cortical bone imaging. TDTE shows well performance in extracting the structure of cortical bone, including the external, internal boundary of cortical bone and porous structure inside the cortical bone. Migration can provide a rough quantitative distribution of density, compression wave speed, and shear wave speed

L'imagerie quantitative des propriétés physiques du sous-sol est fondamentale pour de nombreuses applications impliquant des échelles d'exploration très variées: géotechnique pour l'imagerie de la proche surface, exploration à l'echelle crustale, reconstruction lithosphérique et imagerie globale pour la compréhension fondamentale des processus géodynamiques, mais aussi pour l'exploitation optimale des ressources du sous-sol.Parmi les méthode géophysiques, les méthodes sismiques ont le pouvoir de résolution le plus élevé. La densification des dispositifs d'acquisition, la mise au point de sources et de capteurs large bande et l'augmentation de la puissance de calcul ouvrent de nouvelles perspectives pour le développement et l'application de méthodes non conventionnelles d'imagerie sismique pour une extraction plus complète de l'information contenue dans les données sismiques. Parmi ces méthodes d'imagerie non conventionnelles, les méthodes d'inversion du champ d'onde complet, fondées sur la résolution complète de l'équation d'onde pour le problème direct (modélisation sismique) et la résolution d'un processus d'optimisation pour le problème inverse, font actuellement l'objet de nombreux développements méthodologiques, tant au sein des communautés industrielles qu'académiques.Le challenge numérique est la résolution du problème direct en trois dimensions pour un grand nombre de sources sismiques caractéristique des acquisitions pétrolières massives, et le challenge méthodologique est la gestion de la non-linéarité du problème inverse résultant de l'éclairage incomplet du sous-sol depuis la surface par des sources de bande-passante limitée. L'apport attendu de ces méthodes est la résolution de l'imagerie sismique de l'ordre de la demi-longueur d'onde propagée, sa capacité à imager des cibles complexes d'un point de vue structural notamment sous des écrans salifères ou basaltiques et la quantification des paramètres physiques caractérisant le sous-sol tels que la vitesse de propagation des ondes de compression à laquelle peuvent s'ajouter la densité, l'atténuation, la vitesse de propagation des ondes de cisaillement et des paramètres caractérisant l'anisotropie du milieu.L'objectif de cette thèse est de poursuivre le développement d'une méthode d'imagerie sismique acoustique 3D par l'inversion du champ d'onde complet et de l'appliquer à des données réelles pétrolières 3D de fond de mer enregistrées sur le champ pétrolier de Valhall en Mer du Nord et de fournir une des premières évaluations du potentiel des méthodes d'inversion des formes d'onde pour l'imagerie de milieux géologiques 3D L'inversion est effectuée en domaine fréquentiel où un nombre limité de fréquences est inversé suivant un protocole hiérarchique maintenant bien éprouvé procédant des basses fréquences vers les hautes fréquence: cette approche multi-échelle favorise la prise en compte de la non-linéarité du problème inverse.L'approche de modélisation en domaine temporel avec extraction du champ monochromatique par une transformée de Fourier discrète est effectuée pour calculer les champs d'onde monochromatique nécessaires à la résolution du problème inverse. L'algorithme d'optimisation du problème inverse est fondé sur une méthode de gradients conjugués préconditionés ou sur une méthode quasi-Newton. Les méthodes sont appliquées dans le cadre de l'approximation visco-acoustique isotrope où le milieu est paramétré par la vitesse de propagation des ondes de compression, l'atténuation et la densité. Seule, la composante hydrophone acquise en fond de mer est inversée. L'enjeu méthodologique de cette thèse est de fournir un modèle tri-dimensionelle du champ pétrolier de Valhall dans un cube de dimensions approximatives 18 km x 12 km x 5 km en poussant l'inversion à la fréquence la plus élevée possible.

Cette thèse mêle observations, simulations et développement d'outils numériques haute performance dans le domaine de l’acoustique sous-marine, et notamment pour l’étude des ondes T. Après une revue de la littérature sur les ondes T, nous avons analysé des données réelles enregistrées en Italie. Afin de modéliser le phénomène nous avons développé un solveur éléments spectraux axisymétriques dans le domaine temporel, que nous présentons et validons. Nous présentons également une étude paramétrique de l'influence de la pente du plancher océanique dans un scénario typique de génération/conversion d'une onde T. L'énergie et la durée de ces ondes s’avère être particulièrement sensible à l'environnement. En particulier nous avons vu que les pentes et les caractéristiques du fond marin jouaient un rôle capital. Nos études confirment qu’aux distances régionales le profil de vitesse dans l'océan s'avère n'être qu'un paramètre de deuxième ordre. Pour en évaluer l’impact nous avons développé une procédure pour le calcul de cartes de perte de transmission et de dispersion à partir de simulations numériques en forme d'onde complète dans le domaine temporel. Dans un second temps nous montrons qu'un bateau commercial de taille moyenne peut créer par diffraction des ondes T d'une d'amplitude conséquente et de faible dispersion. Ce mode de génération d'onde T, encore non documenté, doit être particulièrement fréquent dans les zones où le trafic maritime est important et pourrait expliquer certaines ondes T abyssales encore incomprises. Pour finir, nous présentons des outils numériques pour calculer le champ acoustique créé par une source en mouvement
This thesis combines observations, simulations and development of high performance numerical tools in the field of underwater acoustics, and in particular for the study of T-waves. After a literature review on T-waves, we analysed real data recorded in Italy. In order to model the phenomenon we have developed an axisymmetric spectral element solver in the time domain, which we present and validate. We also present a parametric study of the influence of seafloor slope in a typical scenario of generation / conversion of a T-wave. The energy and duration of these waves is particularly sensitive to the environment. In particular, we have seen that the slopes and characteristics of the seabed are of crucial importance. Our studies confirm that at regional distances the ocean speed profile is only a second order parameter. To evaluate its impact we have developed a procedure for the calculation of transmission and dispersion loss maps from full waveform numerical simulations in the time domain. In a second step we show that a medium-sized commercial boat can create T-waves of a significant amplitude and of low dispersion by diffraction. This T-wave generation mode, still undocumented, must be particularly frequent in areas where maritime traffic is dense and could explain some abyssal T-waves still misunderstood. Finally, we present numerical tools for calculating the acoustic field created by a moving source

A partir d'un formalisme theorique developpe dans des travaux precedents, le calcul de sismogrammes dans une terre heterogene et anelastique par sommation de modes propres a l'aide de la theorie des perturbations a l'ordre trois en frequence et a l'ordre deux en amplitude est mis en uvre dans le cadre de l'etude des heterogeneites de petite longueur d'onde du manteau superieur. Il est montre l'importance des effets de couplage entre multiplets le long d'une meme branche de dispersion a longue periode (superieure a 100 secondes), effets generalement negliges par les methodes tomographiques actuelles, ce qui conduit a un biais important lors de la determination des heterogeneites laterales de courte longueur d'onde. Ce probleme est mis en evidence a travers un exemple simplifie de zone de subduction. Dans un deuxieme temps, le formalisme necessaire a la construction du probleme inverse est deduit des expressions du probleme direct. Le concept de champ de modulation a la source ou au recepteur est introduit, et permet de rendre faisable une inversion de la structure elastique et anelastique du manteau superieur en limitant les calculs preliminaires a une quantite proportionnelle a la somme des sources et des recepteurs. Les derivees de frechet de sismogrammes dans une terre anelastique lateralement heterogene sont exprimees a partir de combinaisons lineaires des champs de modulations. Ces derivees sont etudiees en tant que marqueurs de la sensibilite des sismogrammes a la structure tridimensionnelle. L'effet de lissage naturel de la structure par les ondes de surface est retrouve, et les effets de couplage entre multiplets sont mis en evidence a travers les phenomenes de focalisation et defocalisation de l'energie des ondes de surface. Les effets d'une structure anelastique sont egalement discutee. Les etapes intermediaires du processus d'inversion sont ensuite testees par comparaison avec le probleme direct. Un test preliminaire d'inversion est finalement realise.

Le radar géologique est une méthode d'investigation géophysique basée sur la propagation d'ondes électromagnétiques dans le sous-sol. Avec des fréquences allant de 5 MHz à quelques GHz et une forte sensibilité aux propriétés électriques, le géoradar fournit des images de réflectivité dans des contextes et à des échelles très variés : génie civil, géologie, hydrogéologie, glaciologie, archéologie. Cependant, dans certains cas, la compréhension fine des processus étudiés dans la subsurface nécessite une quantification des paramètres physiques du sous-sol. Dans ce but, l'inversion des formes d'ondes complètes, méthode initialement développée pour l'exploration sismique qui exploite l'ensemble des signaux enregistrés, pourrait s'avérer efficace. Dans cette thèse, je propose ainsi des développements méthodologiques par une approche d'inversion multiparamètres (permittivité diélectrique et conductivité), pour des configurations en transmission, en deux dimensions.Ces développements sont ensuite appliqués à un jeu de données réelles acquises entre forages.Dans une première partie, je présente tout d'abord la méthode numérique utilisée pour modéliser la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu 2D hétérogène, élément indispensable pour mener à bien le processus d'imagerie. Ensuite, j’introduis puis étudie le potentiel des méthodes d’optimisation locale standards (gradient conjugué non linéaire, l-BFGS, Newton tronqué dans ses versions Gauss-Newton et Exact-Newton) pour découpler la permittivité diélectrique et la conductivité électrique. Je montre notamment qu’un découplage effectif n’est possible qu’avec un modèle initial suffisamment précis et la méthode la plus sophistiquée (Newton tronqué). Comme dans le cas général, ce modèle initial n’est pas disponible, il s’avère nécessaire d'introduire un facteur d'échelle qui répartit le poids relatif de chaque classe de paramètres dans l'inversion. Dans un milieu réaliste avec une acquisition entre puits, je montre que les différentes méthodes d'optimisation donnent des résultats similaires en matière de découplage de paramètres. C'est finalement la méthode l-BFGS qui est retenue pour l'application aux données réelles, en raison de coûts de calcul plus faibles.Dans une deuxième partie, j'applique cette méthodologie à des données réelles acquises entre deux forages localisés dans des formations carbonatées, à Rustrel (France, 84). Cette inversion est réalisée en parallèle d'une approche synthétique à l'aide d'un modèle représentatif du site étudié et des configurations d'acquisition similaires. Ceci permet de pouvoir comprendre, contrôler et valider les observations et conclusions obtenues sur les données réelles. Cette démarche montre que la reconstruction de la permittivité est très robuste. A contrario, l'estimation de la conductivité souffre de deux couplages majeurs, avec la permittivité diélectrique, d'une part, et avec l'amplitude de la source estimée, d'autre part. Les résultats obtenus sont confrontés avec succès à des données indépendantes (géophysique depuis la surface, analyse sur échantillons de roche), et permet de bénéficier d'une image haute-résolution des formations géologiques. Enfin, une analyse 3D confirme que les structures 3D à fort contraste de propriétés, telles que la galerie enfouie sur notre site, nécessiteraient une approche de modélisation 3D, notamment pour mieux expliquer les amplitudes observées
Ground Penetrating Radar (GPR) is a geophysical investigation method based on electromagnetic waves propagation in the underground. With frequencies ranging from 5 MHz to a few GHz and a high sensitivity to electrical properties, GPR provides reflectivity images in a wide variety of contexts and scales: civil engineering, geology, hydrogeology, glaciology, archeology. However, in some cases, a better understanding of some subsurface processes requires a quantification of the physical parameters of the subsoil. For this purpose, inversion of full waveforms, a method initially developed for seismic exploration that exploits all the recorded signals, could prove effective. In this thesis, I propose methodological developments using a multiparameter inversion approach (dielectric permittivity and conductivity), for two-dimensional transmission configurations. These developments are then applied to a real data set acquired between boreholes.In a first part, I present the numerical method used to model the propagation of electromagnetic waves in a heterogeneous 2D environment, a much-needed element to carry out the process of imaging. Then, I introduce and study the potential of standard local optimization methods (nonlinear conjugate gradient, l-BFGS, Newton truncated in its Gauss-Newton and Exact-Newton versions) to fight the trade-off effects related to the dielectric permittivity and to the electrical conductivity. In particular, I show that effective decoupling is possible only with a sufficiently accurate initial model and the most sophisticated method (truncated Newton). As in the general case, this initial model is not available, it is necessary to introduce a scaling factor which distributes the relative weight of each parameter class in the inversion. In a realistic medium and for a cross-hole acquisition configuration, I show that the different optimization methods give similar results in terms of parameters decoupling. It is eventually the l-BFGS method that is used for the application to the real data, because of lower computation costs.In a second part, I applied the developed Full waveform inversion methodology to a set of real data acquired between two boreholes located in carbonate formations, in Rustrel (France, 84). This inversion is carried out together with a synthetic approach using a model representative of the studied site and with a similar acquisition configuration. This approach enables us to monitor and validate the observations and conclusions derived from data inversion. It shows that reconstruction of dielectrical permittivity is very robust. Conversely, conductivity estimation suffers from two major couplings: the permittivity and the amplitude of the estimated source. The derived results are successfully compared with independent data (surface geophysics and rock analysis on plugs) and provides a high resolution image of the geological formation. On the other hand, a 3D analysis confirms that 3D structures presenting high properties contrasts, such as the buried gallery present in our site, would require a 3D approach, notably to better explain the observed amplitudes

Actuellement, le principal obstacle à la mise en œuvre de la FWI élastique en trois dimensions sur des cas d'étude réalistes réside dans le coût de calcul associé aux taches de modélisation sismique. Pour surmonter cette difficulté, je propose deux contributions. Tout d'abord, je propose de calculer le gradient de la fonctionnelle avec la méthode de l'état adjoint à partir d'une forme symétrisée des équations de l'élastodynamique formulées sous forme d'un système du premier ordre en vitesse-contrainte. Cette formulation auto-adjointe des équations de l'élastodynamique permet de calculer les champs incidents et adjoints intervenant dans l'expression du gradient avec un seul opérateur de modélisation numérique. Le gradient ainsi calculé facilite également l'interfaçage de plusieurs outils de modélisation avec l'algorithme d'inversion. Deuxièmement, j'explore dans cette thèse dans quelle mesure les encodages des sources avec des algorithmes d'optimisation du second-ordre de quasi-Newton et de Newton tronqué permettait de réduire encore le coût de la FWI. Finalement, le problème d'optimisation associé à la FWI est mal posé, nécessitant ainsi d'ajouter des contraintes de régularisation à la fonctionnelle à minimiser. Je montre ici comment une régularisation fondée sur la variation totale du modèle fournissait une représentation adéquate des modèles du sous-sol en préservant le caractère discontinu des interfaces lithologiques. Pour améliorer les images du sous-sol, je propose un algorithme de débruitage fondé sur une variation totale locale au sein duquel j'incorpore l'information structurale fournie par une image migrée pour préserver les structures de faible dimension.

Les dorsales ultra-lentes quasi-amagmatiques constituent une nouvelle catégorie de dorsales océaniques caractérisées par une accrétion crustale, exposant sur le fond marin des quantités considérables de péridotites provenant du manteau. L’étude de la contribution des processus tectoniques, magmatiques et d’autres processus impliqués est nécessaire pour obtenir un modèle conceptuel complet des dorsales océaniques à accrétion ultra-lente. L’imagerie des structures de la croûte et du manteau supérieur peut nous aider à comprendre les activités géologiques passées et actuelles sur les dorsales à accrétion océanique ultra-lente. L’objectif du projet est de comprendre la croûte océanique formée dans une dorsale à accrétion ultra-lente appelée ride sud-ouest indienne, à faible apport de magma. Notre projet de recherche est basé sur le traitement et la modélisation de données sismiques actives et passives dans la partie la plus orientale de la dorsale Sud-Ouest Indienne. L’acquisition des données géophysiques a eu lieu en 2014 lors de la campagne SISMOSMOOTH, à bord du N/O Marion-Dufresne. Nous avons analysé les enregistrements des composantes verticales de 43 sismomètres fond de mer (OBS) dans notre approche sismique passive et les composantes hydrophones de 16 sismomètres fond de mer pour l’approche sismique active. L’interférométrie de bruit ambiant et l’inversion de forme d’onde complète (FWI) des données de réfraction ont été utilisées pour imager les structures internes de la croûte et de la lithosphère. Grâce à la modélisation de l’interférométrie de bruit ambiant, on trouve une épaisseur moyenne de croûte de 7 km avec une couche peu profonde de faibles vitesses de cisaillement. De plus, nous en déduisons que les 2 km supérieurs sont très poreux et peuvent être fortement serpentinisés. La vitesse moyenne des ondes de cisaillement entre la base de la croûte et la profondeur maximale de notre modèle (15 km) est inférieure à la valeur de référence globale de 4.5 km/s et peut s’expliquer par le jeune âge des fonds marins de notre zone. Notre modèle bi-dimensionnel de vitesse des ondes P obtenu à partir de notre analyse FWI suggère des variations considérables de composition dans la partie supérieure le long du profil parallèle à l’axe. Notre étude propose un domaine de transition entre un domaine à prédominance volcanique et un non magmatique, entre ∼65 à 95 km de distance sur le profil. Des injections magmatiques dans des dikes sont proposées dans le domaine oriental non volcanique. Une augmentation vers l’ouest de l’apport de matériel magmatique est confirmée pour le mode d’accrétion océanique. Le modèle de vitesse des ondes P associé aux variations de serpentinisation suggère que le Moho est une transition graduelle d’une péridotite hydratéevers une péridotite non altérée
Ultra-slow spreading ridges are a new category of spreading ridges characterized by quasi-amagmatic crustal accretion, exposing considerable amounts of mantle derived peridotites on the seafloor. Investigating the contributions of tectonic, magmatic, and other involved processes is necessary to gain a comprehensive conceptual model of ultra-slow spreading ridges. Imaging the crustal and upper mantle structures can help us to understand the past and current geological activities in the ultra-slow spreading ridges. The aim of the project is to understand the oceanic crust formed in an ultra-slow spreading ridge called the Southwest Indian Ridge with a low melt supply. Our research project is based on the processing and modeling of the active and passive seismic data in the easternmost part of Southwest Indian Ridge. The data acquisition took place in 2014 during the SISMOSMOOTH cruise. We analyzed vertical component recordings from 43 ocean-bottom seismometers in our passive seismic approach and the hydrophone components of 16 ocean-bottom seismometers in the active seismic approach. Ambient-noise interferometry and full-waveform inversion (FWI) of refraction data were used to image the internal structures of the lithosphere. In the modeling of ambient-noise interferometry, we find an average crustal thickness of 7 km with a shallow layer of low shear velocities. Moreover, we infer that the uppermost 2 km are highly porous and may be strongly serpentinized. The average shear wave velocity between the base of the crust and the maximum depth of our model (15 km) was less than the global reference value of 4.5 km/s and was explained by the younger age of the seafloor in our area. Our two-dimensional P-wave velocity model obtained from FWI suggests considerable variations in the upper lithospheric compositions along the axis-parallel profile. A transition is expected at a distance of ∼65-95 km along the profile from the predominantly volcanic domain in the western zone to variable serpentinized peridotite in the eastern zone. Dike injections are predicted in this area. A westward increase in melt supply is proposed in the seafloor accretion mode. The serpentinization and P-wave velocity model suggests that the Moho is a gradual transition from hydrated to unaltered peridotite

L'approche standard en imagerie sismique repose sur une décomposition par échelle du modèle de vitesse: la détermination des bas nombres d'ondes est suivie par une reconstruction des hauts nombres d'ondes. Cependant, pour des modèles présentant une structure complexe, la détermination des hauts nombres d'ondes peut être améliorée de manière significative par l'apport des nombres d'ondes intermédiaires. Ces derniers peuvent être déterminés par l'inversion non-linéaire de la forme d'onde de données sismiques grands angles qui est, par ailleurs, limitée par la non-linéarité du problème inverse. La non-linéarité est gouvernée par la fréquence minimum dans les données et le modèle de vitesse initial. Pour les très basses fréquences, inférieures à 7 Hz, le problème est raisonnablement linéaire pour appliquer l'inversion de la forme d'onde à partir d'un modèle de départ déterminé par inversion tomographique des temps de trajets. Le domaine fréquentiel est alors très efficace pour inverser des basses vers les hautes fréquences. De plus, il est possible de discrétiser les fréquences avec un pas d'échantillonnage plus grand que celui dicté par le théorème d'échantillonnage. Une stratégie pour sélectionner les fréquences est développée qui réduit le nombre de fréquences nécessaire en imagerie lorsqu'une gamme d'offset est disponible: le nombre de fréquences diminue lorsque l'offset maximum augmente. Les donnés sismiques réelles ne contiennent malheureusement pas de très basses fréquences. Des techniques de pré-conditionnement doivent alors être appliquées afin d'améliorer l'efficacité de l'inversion à partir de fréquences réalistes. Le lissage du vecteur gradient ainsi que l'inversion des premières arrivées augmente les chances de convergence au minimum global. L'efficacité des méthodes de pré-conditionnement est tout de même limitée par le degré d'information contenu dans le modèle de départ
The standard imaging approach in exploration seismology relies on a decomposition of the velocity model by spatial scales: the determination of the low wavenumbers of the velocity field is followed by the reconstruction of the high wavenumbers. However, for models presenting a complex structure, the recovery of the high wavenumbers may be significantly improved by the determination of intermediate wavenumbers. These, can potentially be recovered by local, non-linear waveform inversion of wide-angle data. However, waveform inversion is limited by the non-linearity of the inverse problem, which is in turn governed by the minimum frequency in the data and the starting model. For very low frequencies, below 7 Hz, the problem is reasonably linear so that waveform inversion may be applied using a starting model obtained from traveltime tomography. The frequency domain is then particularly advantageous as the inversion from the low to the high frequencies is very efficient. Moreover, it is possible to discretise the frequencies with a much larger sampling interval than dictated by the sampling theorem and still obtain a good imaging result. A strategy for selecting frequencies is developed where the number of input frequencies can be reduced when a range of offsets is available: the larger the maximum offset is, the fewer frequencies are required. Real seismic data unfortunatly do not contain very low frequencies and waveform inversion at higher frequencies are likely to fail due to convergence into a local minimum. Preconditioning techniques must hence be applied on the gradient vector and the data residuals in order to enhance the efficacy of waveform inversion starting from realistic frequencies. The smoothing of the gradient vector and inversion of early arrivals significantly improve the chance of convergence into the global minimum. The efficacy of preconditioning methods are however limited by the accuracy of the starting model

Si les avancées majeures en imagerie ultrasonore ont longtemps été liées à la qualité de l'instrumentation, l'avènement de l'informatique a incontestablement changé la donne en introduisant des possibilités croissantes de traitement des données pour obtenir une meilleure image. Par ailleurs, les GPUs, composants principaux des cartes graphiques, offrent de par leur architecture des vitesses de calcul bien supérieures aux processeurs, y compris à des fins de calcul scientifique. Le but de cette thèse a été de tirer parti de ce nouvel outil de calcul, en ciblant deux applications complémentaires. La première est d'autoriser une imagerie en temps réel de meilleure qualité que les autres techniques d'imagerie échographique, en parallélisant le procédé d'imagerie FTIM (Fast Topological IMaging). La seconde est d'introduire l'imagerie quantitative et en particulier la reconstruction de la carte de vitesse du milieu inconnu, en utilisant l'inversion de la forme d'onde complète
If the most important progresses in ultrasound imaging have been closely linked to the instrumentation's quality, the advent of computing science revolutionized this discipline by introducing growing possibilities in data processing to obtain a better picture. In addition, GPUs, which are the main components of the graphics cards deliver thanks to their architecture a significantly higher processing speed compared with processors, and also for scientific calculation purpose. The goal of this work is to take the best benefit of this new computing tool, by aiming two complementary applications. The first one is to enable real-time imaging with a better quality than other sonographic imaging techniques, thanks to the parallelization of the FTIM (Fast Tpological IMaging) imaging process. The second one is to introduce quantitative imaging and more particularly reconstructing the wavespeed map of an unknown medium, using Full Waveform Inversion

Je presente dans cette these le developpement d'une technique de modelisation et d'inversion de la forme d'onde en domaine frequence-espace dans des milieux visco-acoustiques avec applications a l'imagerie sismique. Le calcul de champs d'ondes repose sur un schema implicite de differences finies qui requiert la resolution d'un systeme lineaire. Ceci est accompli, au prix d'un cout numerique eleve, par une methode directe de factorisation lu qui permet un calcul rapide des solutions de l'equation d'onde lorsque de nombreuses sources sismiques sont impliquees. Le cout est cependant fortement attenue par l'adoption d'un algorithme de reordonnancement du systeme base sur une methode de degre minimum. Concernant le probleme inverse, une approche d'optimisation par critere de moindres carres est adoptee. La convergence vers le minimum de la fonction cout repose sur une technique de gradient. La principale difficulte a la resolution du probleme inverse reside dans sa non linearite. Celle-ci est plus particulierement marquee pour les donnees enregistrees a grands offsets, ainsi qu'il est montre. Il en resulte une limitation dans la reconstruction des bas nombres d'ondes d'un modele de vitesses sismiques. La formulation en domaine frequentiel du probleme inverse permet d'attenuer la non linearite en inversant iterativement les donnees par frequences croissantes. Elle permet en outre une reduction tres significative du volume de donnees a traiter. Des limitations subsistent neanmoins concernant le macro-modele de vitesses. Deux applications sont presentees. La premiere est un traitement de donnees synthetiques simulant l'imagerie d'un modele geologique par un dispositif d'obh, la seconde porte sur un jeu de donnees reelles de tomographie de diffraction multi-angles.

Du fait de l’épuisement des réserves de pétrole, l’exploration et la production sont réalisées dans des environnements de plus en plus complexes. Faire de l’imagerie sismique sous le sel allochtone (par exemple dômes de sel) demeure une tâche difficile à cause du fait contraste de vitesse dentre le sel et les sédiments voisins et les structures très complexes produites par les déplacements de sel. Les nappes de sel allochtone couvrent de nombreuses régions potentiellement productives dans l’offshore profond du Golfe du Mexique. Forer la base du sel est une tâche extrêmement difficile en raison des pressions de pore fortement variables que l’on recontre dans les sédiments sous le sel. Des méthodes sismiques pour estimer la vitesse des ondes sismiques peuvent être employées en même temps que des formules empiriques pour prévoir la pression de pore. Cependant, il est souvent impossible de mesures précises depuis la surface, et nous avons donc employé des données VSP (Vertical Seismic Profile) “walk-away” cela implique d’effectuer plusieurs tirs sismique à diverses distances du forage (géneralement avec un dispositif de canons á air) tout en enregistrement les vitesses mesurees par des geophones placés à des profondeurs appropriées dans le forage. Avant cette thèse, les données étaient traitées en utilisant l’information d’amplitude en fonction de l’angle dans un simple approximation 1D ou en utilisant l’information de temps de parcours (également avec une approximation 1D). Dans cette thèse, j’ai effectué une inversion 2D de forme d’onde pour résoudre le problème d’estimation des vitesses. Cela a l’avantage d’inverser simultanément l’ensemble des données (comprenant les ondes transmises, les ondes refléchies et les ondes converties) et la méthode inclut l’information de temps de parcours et d’amplitude. L’inversion a été exécute avec des méthodes locales d’inversion du fait de la taille du problème inverse et de la difficulté du problème direct. Les problèmes liés aux grandes variations de le sensibilité inhérents à l’acquisition de données, ont conduit à un examen de la méthode de Gauss- Newton et à des matrices, de préconditionnement possibles pour la méthode du gradient conjugué. En raison de la nature mal contrainte du problème inverse, une régularisation a été appliquée avec une méthode de préconditionnement innovatrice. La méthodologie a été appliquée à des données réelles et la pression de pore a été prédite en utilisant l’équation bien établie de Eaton. En outre, les structures sous le sel ont été déterminées, confirment ainsi l’efficacité de cette technique
Depletion of the earth’s hydrocarbon reserves has led to exploration and production in increasingly complex environments. Imaging beneath allochthonous salt (e. G. Salt domes) remains a challenging task for seismic techniques due to the large velocity contrast of the salt with neighbouring sediments and the very complex structures generated by salt movement. Extensive allochthonous salt sheets cover many potentially productive regions in the deep-water Gulf of Mexico. Drilling through the base of salt is an extremely challenging task due to widely varying pore-pressure found in the sediments beneath. Seismic methods to estimate the seismic velocity can be used in conjunction with empirical formula to predict the pore pressure. However, accurate measurements are often not possible from surface reflection seismic data, so walk-away Vertical Seismic Profile (VSP) data has been used. This involves repeatedly firing a seismic source at various distances from the borehole (usually an airgun array) while recording the velocities measured by geophones in the borehole placed at appropriate depths near the base of the salt. Before this thesis, the data had been processed using the amplitude versus angle information in a simple one-dimension approximation or using travel time information (also using a 1D assumption). In this thesis, I have used 2D full waveform inversion to tackle the problem of velocity estimation. This has the advantage of simultaneously inverting the whole dataset (including transmitted waves, reflected waves, converted waves) and the method includes traveltime and amplitude information. The inversion was performed using local inversion methods due to the size of the inverse problem and the cost of the forward problem. Concerns over large sensitivity variations, that are inherent in the data acquisition, have lead to an examination of the Gauss-Newton method and possible preconditioning matrices for the conjugate gradient method. Due to the poorly constrained nature of the inverse problem, a smoothness constraint has been applied with an innovative preconditioning method. The methodology has been applied to real data and the pore pressure has been predicted using the well established Eaton equation. In addition, the sub-salt structure was recovered, further demonstrating the value of this technique

La tomographie sismique permet d'imager l'intérieur de la Terre à partir de l'observation des ondes sismiques faite à la surface. L'inversion de forme d'ondes complètes est une méthode tomographique qui permet d'imager les structures lithosphériques de petite échelle. Cette approche demande des méthodes numériques efficaces et précises pour résoudre l'équation des ondes dans des milieux hétérogènes complexes. En théorie, la limite de résolution que l'on peut atteindre avec cette technique est de l'ordre de grandeur de la plus petite longueur d'onde présente dans le champ d'onde utilisé. Du fait de son coût élevé en temps de calcul, l'inversion de formes d'ondes complètes constituait encore récemment un formidable défi pour le sismologue. Cependant, cette situation est en train d'évoluer rapidement du fait des progrès récents à la fois des moyens de calcul haute performance ainsi que des méthodes numériques, mais aussi des déploiements de réseaux denses à l'échelle régionale. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'imagerie haute résolution des structures lithosphériques sous la chaine des Pyrénées par inversion de formes d'ondes P télésismiques courte période. L'objectif principal est d'apporter des contraintes nouvelles sur le taux de raccourcissement subi par cette chaine de montagnes pendant la convergence alpine. Nous utilisons une méthode de modélisation hybride qui couple une méthode de propagation d'onde globale 1D à une méthode d'éléments spectraux 3D à l'échelle régionale. Cette méthode hybride permet de coupler les champs globaux et régionaux sur les bords du domaine régional 3D. Elle limite les calculs 3D qui sont extrêmement couteux à l'intérieur du domaine régional, ce qui permet de réduire considérablement le temps de calcul. La méthode hybride permet ainsi de modéliser des sismogrammes synthétiques jusqu'à des périodes de l'ordre de la seconde, en prenant en compte toutes les complexités qui peuvent affecter la propagation des ondes dans le domaine régional 3D. A l'aide de cette méthode, il est également possible de calculer par la méthode de l'adjoint les dérivées de Fréchet qui relient les perturbations des formes d'onde observées aux perturbations des paramètres élastiques et de la densité dans le milieu. Ces noyaux de sensibilité sont utilisés pour formuler un problème inverse résolu par un algorithme itératif de type L-BFGS. Nous inversons les données de 5 sources télésismiques enregistrées par deux transects denses déployés au niveau des Pyrénées occidentales et centrales pendant l'expérience PYROPE. Nous avons ainsi obtenu les premières sections haute résolution de vitesses des ondes P et S au travers d'une chaine de montagnes. Les modèles tomographiques apportent des évidences claires en faveur d'un sous charriage de la plaque ibérique sous la plaque européenne. Ils montrent également l'importance de l'héritage et en particulier des structures liées à l'épisode de rifting crétacé dans la structuration de la chaine
Seismic tomography allows us to image the Earth's interior based on surface observations of seismic waves. The full waveform inversion (FWI) method has the potential to improve tomographic images for the fine scale structures of the lithosphere. For this reason it receives a lot of attention of seismologists. FWI requires an efficient and precise numerical techniques to solve the elastic wave equation in 3D heterogeneous media. Its resolution potential is limited by the shortest wavelength in the seismic wavefield and the wavefield sampling density. Because of the high computational cost of modeling the propagation of seismic waves in heterogeneous media, FWI remains challenging. However, owing to the progress in high performance computational resources and numerical simulation techniques, as well as the deployment of permanent and temporary broadband arrays in the last two decades, this situation has changed dramatically. In this thesis, we focus on the high resolution imaging of lithospheric structure beneath the Pyrenean range by FWI, to quantify the highly controversial amount of convergence that occurred during the formation of this mountain range. In order to obtain finely resolved tomographic images, we exploit short period teleseismic P waves recorded by dense transects. We use a hybrid method that couples a global wave propagation method in a 1D Earth model to a 3D spectral-element method in a regional domain. A boundary coupling approach is used to match the global and regional wavefields on the boundaries of the regional domain. This hybrid method restricts the costly 3D computations inside the regional domain, which dramatically decreases the computational cost. The hybrid method can model teleseismic wavefields down to 1s period, accounting for all the complexities that may affect the propagation of seismic waves in the 3D regional domain. By using this hybrid method, the sensitivity kernels of the least square waveform misfit function with respect to elastic and density perturbations in the regional domain are computed with the adjoint state method. These waveform sensitivity kernels are used in an iterative L-BFGS algorithm to invert broad-band waveform data recorded by two dense transects deployed during the temporary PYROPE experiment across the Pyrenees mountains. We obtain the first high resolution lithospheric sections of compressional and shear velocities across the Pyrenean orogenic belt. The tomographic models provide clear evidence for the underthrust of the thinned Iberian crust beneath the European plate and for the important role of rift-inherited mantle structures during the formation of the Pyrenees

Cette thèse est une étude théorique et expérimentale de la mise en forme et de la caractérisation d'impulsions ultra-courtes ainsi que de leur utilisation pour le contrôle cohérent de systèmes simples.
Dans un premier temps, nous présentons la conception et la fabrication d'un façonneur haute résolution pour des impulsions infrarouges. Nous détaillerons les étapes de réalisation de ce dernier ainsi que ses caractéristiques novatrices. Enfin, les limitations de ce dispositif ainsi que les résultats obtenus seront présentés et discutés. Dans un deuxième temps, nous utilisons ce façonneur dans des expériences de contrôle cohérent sur l'atome de rubidium. Ces expériences reposent sur le contrôle du comportement transitoire d'un atome lors de son interaction avec une impulsion résonnante. Nous rappellerons tout d'abord l'origine de ce comportement transitoire, appelé transitoire cohérent, ainsi que sa première mise en évidence expérimentale. Nous présenterons aussi différentes expériences visant à manipuler ce transitoire cohérent en modifiant la forme des impulsions interagissant avec l'atome. Puis, nous verrons comment manipuler différents transitoires cohérents pour reconstruire la fonction d'onde atomique transitoire. Cette technique dite de spirographe atomique a permis la reconstruction de la fonction d'onde de l'atome soumis à différentes impulsions de contrôle. Nous présenterons ces reconstructions et discuterons de leur domaine de validité ainsi que de leur lien avec d'autres techniques de mesure de fonctions d'onde. Nous présenterons ensuite une technique de caractérisation complète d'impulsions ultra-courtes directement dérivée du spirographe atomique. Cette caractérisation par transitoires cohérents permet de mesurer l'impulsion (les impulsions en fait) interagissant avec l'atome. Elle présente des caractéristiques assez inhabituelles que nous détaillerons. Nous présenterons les différentes mesures expérimentales réalisées et discuterons des perspectives qu'ouvre cette technique de mesure.

La détermination des paramètres d'un milieu poreux, notamment de la porosité, de la perméabilité et des propriétés du fluide saturant est un enjeu important pour des problèmes hydrologiques, pétroliers ou de risques naturels. L'objectif principal de ce travail est d'estimer ces propriétés à partir des ondes sismiques réfléchies.
Les théories poro-élastiques (Biot,1956) nécessitent de nombreux paramètres pour caractériser les milieux poreux et conduisent à des propriétés particulières des ondes sismiques (deux ondes de compression, atténuation intrinsèquement définies,...). Ces équations sont résolues pour un milieu poreux stratifié plan saturé par un fluide homogène par une méthode de réflectivité associée à une intégration en nombre d'ondes discrets. Ce programme de simulation est tout d'abord utilisé pour estimer la sensibilité des ondes réfléchies à la localisation et à la concentration du dioxyde de carbone dans le cas d'un stockage dans un aquifère marin profond. La sensibilité de la réponse sismique aux différents paramètres du milieu poreux est ensuite établie de manière plus systématique par le calcul analytique des dérivées de Fréchet des sismogrammes et leur mise en oeuvre numérique. Les applications numériques réalisées indiquent que les paramètres primordiaux à déterminer sont la porosité et la consolidation.
Ces opérateurs de sensibilité ont ensuite été intégrés dans un code d'inversion de formes d'ondes complètes (algorithme de Quasi-Newton). Les calculs d'inversion réalisés à partir de données synthétiques indiquent que les distributions de porosité et les paramètres caractérisant le solide et le fluide (densité et modules mécaniques) peuvent être correctement reconstruits lorsque les autres paramètres sont bien déterminés.
Cependant, l'inversion de plusieurs paramètres reste un problème difficile du fait des couplages sismiques existant entre eux. Il est cependant possible de résoudre des problèmes complexes en ne considérant qu'un seul paramètre pour le fluide (saturation) et un pour les minéraux (lithologie), ou en effectuant des inversions différentielles pour suivre des variations du fluide.
La méthode d'inversion est finalement appliquée à un jeu de données réelles acquis sur le site côtier de Maguelonne dans l'Hérault. Les variations du milieu peuvent être reconstruites en utilisant de l'information a priori venant de forages.