- / -

- / -

Στην παρούσα εργασία υπολογίστηκαν μηχανισμοί γένεσης σεισμών, χρησιμοποιώντας ένα μικροσεισμικό δίκτυο, εγκατεστημένο στη νότια Αλβανία. Πρόκειται για μια περιοχή που βρίσκεται στο νοτιοδυτικό άκρο της Αλβανίας, κοντά στα σύνορα με την Ελλάδα και γεωλογικά ανήκει στην Ιόνια ζώνη. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν και επεξεργάστηκαν 22 σεισμικά γεγονότα που επιλέχθηκαν με συγκεκριμένα κριτήρια, από το σύνολο των καταγραφών του μικροσεισμικού δικτύου που είχε εγκατασταθεί στην περιοχή. Το μικροσεισμικό δίκτυο τοποθετήθηκε στηνπεριοχή του αντικλίνου Kurveleshi. Η δομή του (ALIAJ et al. 1991) αποδίδεται σε τεκτονικά ρήγματα κατά μήκος και εγκαρσίως σε αυτό. Ο ρόλος της λιθολογίας στο σχηματισμό του αντικλίνου είναι σημαντικός γιατί πάνω στις μεγάλες επωθήσεις αναπτύσσονται διαπυρικοί δόμοι. Εφαρμόστηκαν τρεις μέθοδοι υπολογισμού των μηχανισμών γένεσης: α) Προσδιορισμός των μηχανισμών γένεσης με χρήση δεδομένων πολικότητας-πρόγραμμα FPFIT, β) Προσδιορισμός των μηχανισμών γένεσης με αντιστροφή κυματομορφών-πρόγραμμα ISOLA και γ) Προσδιορισμός των μηχανισμών γένεσης με χρήση πλατών κυμάτων Ρ, SV και SH – πρόγραμμα FOCMEC. Αρχικά εφαρμόστηκε η μέθοδος των πρώτων αποκλίσεων των P κυμάτων που χρησιμοποιείται από τους σεισμολόγους εδώ και πολλά χρόνια για την εύρεση του μηχανισμού γένεσης ενός σεισμού δίνοντας έτσι τα χαρακτηριστικά των δύο επιπέδων διάρρηξης. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο γεγονός ότι ο τρόπος ακτινοβολίας των σεισμικών κυμάτων έχει άμεση σχέση με τη γεωμετρία του ρήγματος. Το κύμα P είναι το πρώτο κύμα που καταγράφεται μετά από έναν σεισμό στα όργανα στους σταθμούς καταγραφής και ως εκ τούτου είναι μια φάση πολύ εύκολα αναγνωρίσιμη. Η βασική ιδέα για την εφαρμογή της μεθόδου είναι ότι η πρώτη κίνηση των επιμήκων κυμάτων, δηλαδή εάν είναι αραίωση (άφιξη με φορά προς τα κάτω) ή συμπίεση (άφιξη με φορά προς τα πάνω) εξαρτάται από τη διεύθυνση (το αζιμούθιο) του σταθμού καταγραφής σε σχέση με το σεισμό. Με τη συγκεκριμένη μέθοδο προσδιορίστηκαν οι μηχανισμοί γένεσης και για τα 22 σεισμικά γεγονότα. Υπάρχει όμως και η περίπτωση όπου μια πρώτη άφιξη δεν είναι σαφής ως προς το εάν παριστάνει μια αραίωση ή συμπίεση και δυσχερένει την ακριβή χάραξη των δυο επιπέδων. Αυτό μπορεί να συμβαίνει είτε λόγω του θορύβου, είτε γιατί η πρώτη άφιξη είναι πολύ μικρή σε πλάτος οπότε και πολύ δύσκολα αναγνωρίσιμη. Αυτές λοιπόν οι δυσκολίες μπορεί να μην επιτρέπουν τον ακριβή προσδιορισμό του μηχανισμού γένεσης, γι αυτό σε μια δεύτερη φάση χρησιμοποιήθηκαν και τα πλάτη των κυμάτων. Συγκεκριμένα αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει εκτός των φάσεων των πρώτων αποκλίσεων και το λόγο των πλατών των εγκαρσίων κυμάτων S, ως προς το πλάτος των επιμήκων κυμάτων Ρ, δηλαδή το λόγο S/P των κυμάτων βελτιώνοντας αισθητά τα αποτελέσματα όπου υπάρχουν λίγοι σταθμοί ή δεν είναι καλά κατανεμημένοι αζιμουθιακά. Η μέθοδος αυτή θεωρείται σχετικά απλή καθώς απαιτούνται μόνο οι διαφορές μεταξύ της διαφορετικής απόσβεσης των κυμάτων P και S ενώ ενδιαφέρουν και όποιες τοπικές επιδράσεις υπάρχουν σε κάθε σταθμό (site effect) που μπορούν να επηρεάσουν τα πλάτη. Με τη συγκεκριμένη μέθοδο προσδιορίστηκαν οι μηχανισμοί γένεσης για τα 21 σεισμικά γεγονότα. Η τελευταία μέθοδος επεξεργασίας που χρησιμοποήθηκε, περιλαμβάνει τον υπολογισμό μηχανισμών γένεσης με τη χρήση του προγράμματος ISOLA το οποίο προσδιορίζει τον τανυστή της σεισμικής ροπής με αντιστροφή κυματομορφών και για δεδομένα τοπικών σεισμών. Με τη συγκεκριμένη μέθοδο προσδιορίστηκαν οι μηχανισμοί γένεσης για τα 12 σεισμικά γεγονότα. Η διαδικασία της αντιστροφής του τανυστή της σεισμικής ροπής παρέχει αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με τον μηχανισμό γένεσης και ειδικότερα τη γεωμετρία της διάρρηξης στο χώρο, τη σεισμική ροπή, το μέγεθος σεισμικής ροπής Mw, τη σεισμική πηγή και το βάθος της εστίας. Αποτελεί γενικά ένα μαθηματικό πρόβλημα που λύνεται συγκρίνοντας τις παρατηρούμενες κυματομορφές με τα αντίστοιχα συνθετικά κύματα. Το πρόβλημα επιλύεται ελαχιστοποιώντας τις διαφορές μεταξύ των συνθετικών και των παρατηρούμενων κυματομορφών. Από τη μελέτη και την επεξεργασία των μικροσεισμικών δεδομένων στη νότια Αλβανία προκύπτει ότι είναι μια περιοχή με έντονη μικροσεισμική δραστηριότητα Οι μηχανισμοί γένεσης που υπολογίστηκαν συμφωνούν μεταξύ τους και για τις τρεις μεθόδους που εφαρμόστηκαν ( FPFIT, ISOLA, FOCMEC). Συγκεκριμένα υπολογίστηκαν ανάστροφα και οριζόντια ρήγματα που επιβεβαιώνουν το καθεστώς συμπίεσης που επικρατεί στην περιοχή. Η σύγκρουση του ανώτερου μανδύα της αδριατικής μικροπλάκας με το αλβανικό ορογενές προτείνεται για να εξηγήσει τους μηχανισμούς γένεσης που παρατηρήθηκαν. Επίσης προσδιορίστηκαν και μηχανισμοί κανονικών ρηγμάτων που προέρχονται όμως από μικρούς σεισμούς και δικαιολογούνται από την εμφάνιση εβαποριτών στην περιοχή μελέτης. Τέλος διαπιστώθηκε ότι είναι εφικτός ο υπολογισμός των μηχανισμών γένεσης με αντιστροφή κυματομορφών ακόμα και για μικρά σεισμικά γεγονότα. Με απαραίτητες όμως προυποθέσεις η αντιστροφή να γίνεται χρησιμοποιώντας υψηλές συχνότητες κι επίσης να υπάρχουν: σταθμοί σε κοντινή απόσταση (4km περίπου), καλό μοντέλο ταχυτήτων και καλή ποιότητα καταγραφών. / In the present work were calculated tensor solutions of earthquakes, using a microseismic network, located in Southern Albania. This is an area located at the southwestern tip of Albania, near the border with Greece and geologically belongs to the Ionian Zone. Specifically, they had studied and worked 22 seismic events were selected by specific tests from all the records of microseismic network was installed in the area. They had applied three methods for calculating focal mechanisms: a) Identification of mechanisms using polarity data – program FPFIT, b) Determination of focal mechanisms with reverse  waveform – program ISOLA and c) Determination of focal mechanisms using P wave amplitudes, SV and SH – program FOCMEC. Initially, was being  used the methodology of the first differences of P waves. This method relies on the fact that the way radiation of seismic waves is directly related to the geometry of the fault. The basic idea of the method is that the first motion of long waves, ie if dilution (arrival by pointing down) or compression (arrival by pointing up), depends on the direction (azimuth) of the station registration in relation to the earthquake. With this method were determined tensor solutions for the 22 seismic events. In a second step was being used and the amplitudes of seismic waves. Specifically, this method include other steps of the first gap and the reason of the amplitudes of transverse waves S, for amplitudes of waves P, ie the reason S/P waves significantly improved results with few or no stations are well distributed azimuthal. This method is relatively simple and requires only the differences between the different damping of the waves P and S and interest any local effects in each station (site effect) that can affect the back. By this method were also determined tensor solutions for 21 seismic events. The last method of treatment was used, includes calculation of focal mechanisms using the ISOLA project that identifies seismic moments tensor inversion of waveform data and local earthquakes. We were determined tensor solutions for 12 seismic events. The reversal process of the seismic moment tensor provides reliable information about the mechanism of generation and in particular the geometry of the fracture site, the seismic moment, the magnitude of seismic moment Mw, the seismic source and the depth of the outbreak. By the study and treatment of microseismic data in south Albania result that is an area of intense microseismic activity. The tensor solutions calculated, agree with each other for all three methods applied (FPFIT, ISOLA, FOCMEC). Specifically, calculated and horizontal reverse faults confirm the compression scheme that prevails in the region. Also identified mechanisms of normal faults that come from small earthquakes as justified by the appearance of evaporates in the study area. Finally, had found that is feasible the calculations of focal mechanisms with reverse waveforms even small seismic events.

Le nord-ouest des Alpes est un domaine intraplaque présentant de très faibles déformations. C'est pourquoi il paraît délicat de déduire la probabilité d'occurrence d'un séisme de taille lithosphérique (magnitude supérieure à 7) à partir des observations de microsismicité. De telles observations sont en effet des processus superficiels et présentent peu ou pas de lien avec des processus profonds de plus grande ampleur. L'objectif est de déterminer le potentiel sismique d'un secteur au nord-ouest des Alpes en étudiant le champ de contrainte résultant d'un chargement gravitaire. Seuls les objets de taille lithosphérique, i.e. de l'ordre de la centaine de kilomètres sont pris en compte. Un modèle de contraintes à l'échelle 360 km par 400 km par 230 km d'épaisseur, centré sur la subduction fossile des Alpes de l'ouest et s'étendant jusqu'au nord de Strasbourg, est établi. L'étude des structures du nord-ouest alpin montre l'importance de l'orogène alpin qui se retrouve, enparticulier, dans les variations de profondeur des interfaces de la lithosphère. Une étude du champ de contrainte dans le socle a permis d'identifier une rotation des contraintes principales horizontales avec l'axe des Alpes. Bien que la valeur absolue des contraintes principales n'ait pas pu être déterminée, un rapport de valeur relative est calculé. Le résultat de la modélisation montre l'importance de la rhéologie dans le cas d'un chargement gravitaire. Si une rhéologie élastique est prise en compte, les directions de contrainte calculées sont totalement différentes des observations. Par contre, l'utilisation d'une rhéologie élasto-plastique combinée à l'utilisation d'une géométrie réaliste des interfaces lithosphériques permet d'obtenir des directions de contraintes cohérentes avec les données. / The north-west of the Alps is an intraplate domain with very slow deformations. So, it seems difficult to determine the probability of occurrence of a lithospheric earthquake (magnitude greater than 7) from microseismic observations. Such observations are superficial processes with little relation to deeper and bigger ones. The aim is to determine the seismic potential of a lithospheric sector north-west of the Alps, studying the stress field generated by a gravity driven model. This model is 360 km by 400 km by 230 km deep, centered on the west alpine fossil subduction and going up to the north of Strasbourg. The study of the north-west alpine structures shows the importance of the alpine orogen which generates variations in depth of the lithospheric interfaces. A study of the stress field in the basement shows a variation of principal stress directions along the strike of the Alpine chain. Even if the absolute magnitude of stresses could not be determined a relative magnitude ratio is calculated. Results underline the importance of rheology for a gravity driven model. If an elastic rheology is modeled, calculated stress directions do not match observations. However, using an elasto-plastic rheology with a realistic geometry of the lithospheric interfaces, we can obtain stress directions coherent with the data.

La multiplication du nombre de réseaux sismiques fait exploser le nombre de données sismologiques. Manuellement, leur traitement est long et fastidieux, d'où la nécessité d'automatiser la détection, la classification et la localisation des événements pour aider les observatoires qui surveillent continuellement la sismicité, mais aussi, dans un intérêt plus scientifique, rechercher et caractériser les phénomènes. La thèse se décompose en 2 axes majeurs : (1) la détection / localisation des séismes, avec le logiciel Waveloc. On a amélioré les outils pré-existants, ajouté de nouvelles fonctionnalités pour une analyse plus détaillée de la sismicité et validé le code avec les données du Piton de la Fournaise ; (2) la classification des séismes. Après calcul des attributs décrivant au mieux les signaux, on a démontré l'efficacité de 2 méthodes d'apprentissage supervisé (régression logistique et SVM) pour le Piton de la Fournaise et soulevé les difficultés pour un cas plus complexe (le Kawah Ijen). / For some time now the quantity of available seismological data has kept increasing. Manually, their processing is long and tedious. Then, the automation of the detection, location and classification of seismic events has become necessary and aims to help the local observatories and to search and characterize some rarer or not well-known phenomena. The work is divided into 2 main directions : (1) the detection and location of seismic events with the Waveloc software (we improved the pre-existing tools, added some new functions for a more detailed analysis of the seimicity and applied the code to data from the Piton de la Fournaise volcano) ; (2) their classification (after computing the seismic attributes, we proved the efficiency and reliability of 2 supervised learning methods - logistic regression and SVM - for the Piton de la Fournaise volcano, underlined the difficulties for a more complex case - the Kawah Ijen volcano - and tried to apply new strategies).

This thesis focuses on the Manyi Fault in Northern Tibet which experienced a M_w 7.6 earthquake in 1997. The remoteness of the area limits the feasibility of measurements in the field, however the climate makes it ideal to study by remote sensing, specifically Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). The mechanics of the earthquake have been well documented however there are still numerous questions about the other stages of the earthquake cycle (postseismic and interseismic) across the fault. Previous studies of the postseismic motion across the Manyi Fault using four years of ERS SAR data show the deformation can be explained by either viscoelastic relaxation of a Standard Linear Solid body with a viscosity of 4x10¹⁸ Pa s or afterslip. We use the ERS timeseries and ratemaps formed from a network of ENVISAT SAR scenes from 2003-2010 to analyse the postseismic deformation. We create a series of afterslip models based on rate-and-state frictional laws, along with series of viscoelastic models with various rheologies (Maxwell and Burgers). Our results show that an afterslip model fits the data slightly better than a Burgers rheology but not within resolvable errors. A range of afterslip models fit the data well, with frictional parameters ranging from 8x10^-4 to 2x10^-3 and a preseismic slip rate of 8 to 20 mm/yr. The best-fitting Burgers rheology has a Kelvin element viscosity of 4x10¹⁸ Pa s and Maxwell element viscosity of 6x10¹⁹ Pa s. We analyse the interseismic InSAR signal observed before the 1997 earthquake using ERS data from 1992-1997 to find that the Manyi Fault was accumulating strain at 3+/-2 mm/yr. We also find the seismic locking depth was 22+/-15 km which correlates with the maximum depth of slip during the earthquake. We show there is no significant deformation across the fault to the north of the Manyi Fault which may be an extension to the Kunlun fault. We discuss an analytical 2D thin viscous channel model from literature that has been shown to match the data in this thesis. We show that, once errors are properly accounted for, their model cannot explain both the post and preseismic datasets.

L'imagerie sismique de la Terre permet de retrouver la structure de sous-sol. Cette opération est classiquement décomposée en deux étapes : une première phase a pour objectif de déterminer la cinématique de propagation des ondes (modèle de vitesse de référence) ; la seconde phase vise à retrouver la position des interfaces dans le sous-sol. Si cette seconde phase est maintenant classique, la détermination du modèle de vitesse de référence reste un sujet d’actualité en imagerie sismique. Une technique pour estimer le modèle de référence sépare les données en sous-ensembles, par exemple en points de tir. Une image partielle du sous-sol est obtenue pour chaque point de tir. Si ces images sont cohérentes les unes avec les autres, alors le modèle de vitesse qui a servi à obtenir ces images est dit correct. Cette technique s'est avérée très utile, en particulier pour l'imagerie des zones complexes, car elle ne requière pas a priori d'identifier des événements. Cependant, la technique est intrinsèquement liée aux données réfléchies. Elle ne prend pas en compte les arrivées transmises, les réflexions multiples, les ondes de surface, … L'objectif de la thèse de doctorat est de prendre en compte à la fois les arrivées réfléchies et les arrivées transmises (ondes directes et plongeantes) pour l'analyse de vitesse. Pour cela, le formalisme de l'analyse de vitesse doit être revu pour prendre en compte des développements récents (modèle « étendu » défini en 2008). Si une telle approche s’avère possible, alors il ne serait plus nécessaire d'extraire les ondes réfléchies des données. Par ailleurs, les ondes réfléchies ont des trajets essentiellement verticaux. Les ondes transmises ont des trajets plutôt horizontaux. La prise en compte des deux types d'ondes permettrait donc de mieux contraindre le modèle de vitesse et alors de déterminer des paramètres d'anisotropie. Au cours de la thèse, il s'agira de modifier le formalisme actuel d'analyse de vitesse pour prendre en compte les ondes réfléchies et transmises. Des applications seront développées sur les données synthétiques et réelles pour démontrer l'apport de l'approche combinée. Enfin, une analyse fine devra être menée pour voir si les ondes réfractées (en opposition aux ondes plongeantes) peuvent également être prises en compte. / Seismic imaging aims at retrieving the Earth's structures. It is classically split into two steps: firstly, the objective is to retrieve the background velocity model containing the large-scale structures of the velocity model. Secondly, one needs to determine the reflectivity part with the positions of the interfaces. The first part still remains a difficult challenge. Migration Velocity Analysis consists of migrating subsets of the total input data set (e.g. single shots). If all associated images are consistent, then the model used for imaging is said to be correct. This is a very useful method, in particular for the imaging of complex structures, as it does not a prioiri require any picking nor event identification. However, it is intrinsically restricted to reflected data: it does not take into account transmitted waves, multiple reflections, surface waves, ... The objective of the Ph.D work is to simultaneously consider reflected and transmitted (direct and diving) waves in the context of Migration Velocity Analysis. For that, one needs to reconsider the basis for velocity analysis. Recent developments around the « extended model » should be considered. If feasible, then it would not be anymore needed to extract reflected energy from a shot gather. More importantly, the combined inversion would better constrain the model: reflected waves are mainly associated to vertical propagation, whereas transmitted waves recorded at large offsets are more associated to horizontal propagation. This could offer the possibility to better estimate anisotropy parameters.

The largest earthquakes on Earth take place on the megathrusts of subduction zones, but the slip behavior of megathrusts is variable. This thesis considers why by conducting local, regional and global studies of the interrelationships between the structure and seismogenic behavior of subduction zones. New marine geophysical data collected from the collision zone between the Louisville Ridge seamount chain with the Tonga-Kermadec trench constrain overthrusting and subducting plate structure. Mo'unga seamount is identified beneath the outer-forearc, which calibrates the association of residual bathymetric anomalies and subducting relief, implies an E-W geometry for the subducted ridge and suggests the 200 km wide Louisville seismic gap is modulated by the sediment filled flexural moat. Spectral averaging is then applied along the Tonga-Kermadec margin and along strike variations in overthrusting plate structure are verified by wide-angle seismic transects. The remnant Tonga-Ridge occupies the inner fore-arc and residual free-air gravity anomalies constrain its latitudinal extent (north of 30.5°S), width (110±20 km) and strike (~005° south of 25°S). Plate tectonic reconstructions suggest the Lau Ridge is unmodified by subduction related erosion, <200 km of the Tonga Ridge has been eroded, and neither ridge ever occupied the southern Kermadec arc. Crustal thickness variations are thus inherited, reflecting the Cenozoic tectonic evolution of the Tonga-Kermadec-Hikurangi margin. Spectral averaging is finally applied to all subduction zones on Earth. Part one develops a global catalogue of subducting relief, which is compared with seismological and geodetic inferences of fault-slip behavior. Most seamounts are aseismic, relatively undeformed and observations are not consistent with mechanical models proposing full-decapitation. Aseismic ridges are also associated with megathrust complexity, but are of a larger wavelength and contrasting mode of isostatic compensation. Part two shows almost all intra-margin along-strike transitions in seismogenic behavior are related to pre-existing crustal structure. A paired forearc anomaly is interpreted consisting of a trench-parallel ridge landward of the deep-sea-terrace basin. The ridge crest correlates with the down-dip limit of coseismic slip and strong interplate coupling, the up- dip limit of tremor epicentres, and is interpreted as defining the boundary between the velocity-weakening and seismogenic portion of the subduction interface and the down-dip frictional transition zone. Paired anomalies may be attributed to unrecovered interseismic elastic strain, the preferential subduction erosion of the outer-forearc and/or underplating beneath the inner forearc.

Seismic records contain information that allows geoscientists to make inferences about the structure and properties of the Earth’s interior. Traditionally, seismic imaging and tomography methods require wavefields to be generated and recorded by identifiable sources and receivers, and use these directly-recorded signals to create models of the Earth’s subsurface. However, in recent years the method of seismic interferometry has revolutionised earthquake seismology by allowing unrecorded signals between pairs of receivers, pairs of sources, and source-receiver pairs to be constructed as Green’s functions using either cross-correlation, convolution or deconvolution of wavefields. In all of these formulations, seismic energy is recorded and emitted by surrounding boundaries of receivers and sources, which need not be active and impulsive but may even constitute continuous, naturally-occurring seismic ambient noise. In the first part of this thesis, I provide a comprehensive overview of seismic interferometry, its background theory, and examples of its application. I then test the theory and evaluate the effects of approximations that are commonly made when the interferometric formulae are applied to real datasets. Since errors resulting from some approximations can be subtle, these tests must be performed using almost error-free synthetic data produced with an exact waveform modelling method. To make such tests challenging the method and associated code must be applicable to multiply-scattering media. I developed such a modelling code specifically for interferometric tests and applications. Since virtually no errors are introduced into the results from modelling, any difference between the true and interferometric waveforms can safely be attributed to specific origins in interferometric theory. I show that this is not possible when using other, previously available methods: for example, the errors introduced into waveforms synthesised by finite-difference methods due to the modelling method itself, are larger than the errors incurred due to some (still significant) interferometric approximations; hence that modelling method can not be used to test these commonly-applied approximations. I then discuss the ability of interferometry to redatum seismic energy in both space and time, allowing virtual seismograms to be constructed at new locations where receivers may not have been present at the time of occurrence of the associated seismic source. I present the first successful application of this method to real datasets at multiple length scales. Although the results are restricted to limited bandwidths, this study demonstrates that the technique is a powerful tool in seismologists’ arsenal, paving the way for a new type of ‘retrospective’ seismology where sensors may be installed at any desired location at any time, and recordings of seismic events occurring at any other time can be constructed retrospectively – even long after their energy has dissipated. Within crustal seismology, a very common application of seismic interferometry is ambient-noise tomography (ANT). ANT is an Earth imaging method which makes use of inter-station Green’s functions constructed from cross-correlation of seismic ambient noise records. It is particularly useful in seismically quiescent areas where traditional tomography methods that rely on local earthquake sources would fail to produce interpretable results due to the lack of available data. Once constructed, interferometric Green’s functions can be analysed using standard waveform analysis techniques, and inverted for subsurface structure using more or less traditional imaging methods. In the second part of this thesis, I discuss the development and implementation of a fully non-linear inversion method which I use to perform Love-wave ANT across the British Isles. Full non-linearity is achieved by allowing both raypaths and model parametrisation to vary freely during inversion in Bayesian, Markov chain Monte Carlo tomography, the first time that this has been attempted. Since the inversion produces not only one, but a large ensemble of models, all of which fit the data to within the noise level, statistical moments of different order such as the mean or average model, or the standard deviation of seismic velocity structures across the ensemble, may be calculated: while the ensemble average map provides a smooth representation of the velocity field, a measure of model uncertainty can be obtained from the standard deviation map. In a number of real-data and synthetic examples, I show that the combination of variable raypaths and model parametrisation is key to the emergence of previously-unobserved, loop-like uncertainty topologies in the standard deviation maps. These uncertainty loops surround low- or high-velocity anomalies. They indicate that, while the velocity of each anomaly may be fairly well reconstructed, its exact location and size tend to remain uncertain; loops parametrise this location uncertainty, and hence constitute a fully non-linearised, Bayesian measure of spatial resolution. The uncertainty in anomaly location is shown to be due mainly to the location of the raypaths that were used to constrain the anomaly also only being known approximately. The emergence of loops is therefore related to the variation in raypaths with velocity structure, and hence to 2nd and higher order wave-physics. Thus, loops can only be observed using non-linear inversion methods such as the one described herein, explaining why these topologies have never been observed previously. I then present the results of fully non-linearised Love-wave group-velocity tomography of the British Isles in different frequency bands. At all of the analysed periods, the group-velocity maps show a good correlation with known geology of the region, and also robustly detect novel features. The shear-velocity structure with depth across the Irish Sea sedimentary basin is then investigated by inverting the Love-wave group-velocity maps, again fully non-linearly using Markov chain Monte Carlo inversion, showing an approximate depth to basement of 5 km. Finally, I discuss the advantages and current limitations of the fully non-linear tomography method implemented in this project, and provide guidelines and suggestions for its improvement.

Cette thèse comprend six chapitres qui décrivent les caractéristiques de la tectonique active et du transfert de contrainte liées aux séismes majeurs. L’objectif étant une meilleure estimation de l’aléa et du risque sismique du nord de l’Algérie et du Maroc. Après un chapitre introductif, le chapitre II présente la méthodologie adoptée pour l’élaboration des modèles de transfert de contrainte. Le chapitre III traite de l’interaction entre failles dans le Tell Atlas algérien. Le chapitre IV développe les aspects de transfert de contrainte et de déformation poroélastique dans le Rif marocain et la mer d’Alboran. Le chapitre V présente la déformation poroélastique sur un plan plus large et les caractéristiques physiques des ruptures sismiques. Le chapitre VI consiste en une conclusion générale avec présentation des principaux résultats incluant les perspectives et suites pour cette recherche. / This thesis consists in six chapters that describe the characteristics of active tectonics and stress transfer related to major earthquakes. The aim of this thesis is a better estimate of the seismic hazard and risk in northern Algeria and Morocco. After an introduction, Chapter II presents the methodology adopted for the development of stress transfer models. Chapter III deals with the interaction between faults in the Algerian Tell Atlas. Chapter IV develops the aspects of stress transfer and poroelastic deformation in the Rif and the Alboran Sea. Chapter V presents a large development of the poroelastic deformation and the physical characteristics of seismic ruptures. Chapter VI consists of a general conclusion with presentation of the main results including the perspectives and futur researchs.