L'utilisation d'un grand nombre de capteurs sismiques est de plus en plus courant pour imager l'intérieur de notre planète depuis sa surface pour la prospection sismique, jusqu'à sa structure profonde avec la sismologie continentale et globale. L'application d'un traitement d'antenne aux enregistrements issus de réseaux de capteurs permet l'extraction de nouvelles observables et une meilleure compréhension de la propagation des ondes dans les milieux complexes. Parmi ces méthodes, on s'intéresse particulièrement aux traitements simultanés en émission-réception de type double formation de voies (DFV). A l'échelle de la prospection sismique, la DFV est utilisée pour extraire des ondes de volume pouvant être masquées par des ondes de surface plus énergétiques. A l'échelle continentale, les réseaux de sources étant plus rares, on propose d'appliquer la méthode DFV à des signaux reconstruits par corrélation du bruit sismique ambiant. De la même manière que pour un couple de stations, la corrélation d'enregistrements continus permet d'évaluer la fonction de Green entre deux antennes réceptrices. Cette méthode est appliquée à des données du réseau Transportable Array (USArray) afin de mesurer et cartographier la vitesse de phase des ondes de surface au centre des USA. Enfin à l'échelle globale, une combinaison de plusieurs grands réseaux sismologiques est utilisée pour démontrer que la corrélation d'enregistrements continus, dans la gamme de périodes, 5-100s permet la reconstruction des ondes de volume à des distances télésismiques. Une analyse de la contribution respective du bruit ambiant, d'origine océanique, et des séismes est réalisée. On montre que les arrivées tardives des forts séismes, réverbérées à l'intérieur du globe, contribuent de manière importante à la reconstruction des phases profondes. Les ondes de volume reconstruites à partir du bruit ambiant constituent une nouvelle source d'information, complémentaire aux données issues des séismes, et pouvant être utilisée pour imager notre planète. / The use of a large number of sensors is becoming more common in seismology at both the global scale for deep Earth studies, and at the exploration geophysics scale for monitoring and subsurface imaging. Seismic arrays require array processing from which new type of observables contribute to a better understanding of the wave propagation complexity. This thesis deals with a subset of these techniques. It first focuses on a way to select and identify different phases between two source-receiver arrays based on the double beamforming (DBF) method. At the exploration geophysics scale, the goal is to identify and separate low-amplitude body waves from high-amplitude dispersive surface waves. At the continental scale, as the source arrays are uncommon, the cross-correlation (CC) method of broadband ambient seismic noise can be used to evaluate the Green's function between two receiver arrays. The combination of DBF and CC is applied on Transportable Array (USArray) data to construct high-resolution phase velocity maps of Rayleigh and Love waves. Finally, at the global scale, by using a large number of sensors, it is shown that body waves can emerge form CC of continuous records in the 5-100s period band. We also analyze the contribution of strong earthquakes and particularly their long lasting reverberated coda. We compare it to the contribution to correlations of the continuous background sources associated with the ocean-crust interaction. The reconstructed body waves constitute a valuable supplement to traditional earthquake data to image and to monitor the structure of the Earth from its surface to the inner core.

Durant mes trois années de thèse, j'ai été amenée à travailler sur différents aspects de la surveillance des propriétés élastiques de la croûte, à la fois par analyses numériques, mais aussi par des applications d'utilisation du bruit ambiant. Ma thèse s'articule autour de deux parties principales: Les propriétés des ondes de la coda Le libre parcours moyen est un paramètre crucial rencontré continuellement dans les différentes parties de mon travail. Dans cette partie, je présente une nouvelle façon de déterminer ce libre parcours moyen à partir des statistiques de phase. Cette méthode a été testée avec succès dans l'étude d'un volcan situé en Auvergne (France). Je présente ensuite une analyse numérique de la sensibilité que les ondes de la coda manifestent en fonction de la profondeur. Ce travail nous a permis de relier cette sensibilité à la profondeur observée dans les ondes de la coda, à une combinaison de la sensibilité des ondes de volume et de celle des ondes de surface. En effet, cette sensibilité des ondes de volume et de surface dépend directement du temps considéré dans la coda et du libre parcours moyen du milieu étudié. Nous avons été capable de montrer que le changement de vitesse relatif dans la coda était lié à une dépendance en temps. Cette importante observation nous permet de pouvoir établir une distinction entre un changement qui se produit en surface et un changement ayant lieu en profondeur. Localisation des changements dans un milieu diffusif Nous avons développé une méthode d'inversion basée sur des approches probabilistes de la propagation des ondes, afin de pouvoir localiser les changements dans le milieu. Nous avons également étudié la décohérence de la forme d'onde, ce qui constitue un aspect additionnel des techniques de surveillance du bruit sismique, qui traditionnellement sont basés sur l'évaluation du temps de retard dans la coda. Au cours de cette thèse, nous avons affiné notre méthode d'inversion en l'appliquant à trois cas d'études. Dans un premier cas, nous avons étudié les changements ayant eu lieu avant et pendant l'éruption du volcan du Piton de la Fournaise situé sur l'Ile de la Réunion. Le challenge ici est de parvenir à localiser correctement la prochaine éruption. La seconde application a concerné le séisme de Mw7,9 de Wenchuan (Chine), sur lequel nous avons obtenu de nombreuses données. Dans ce cas, nous avons pris en compte l'évolution de la coda au cours du temps et nous avons conjointement inversé les données à différents temps dans la coda pour étudier les changements induits dans la croûte, avant et pendant le séisme. A partir de ces résultats, nous avons pu clairement voir que la décohérence de la forme d'onde et les variations de vitesse n'étaient pas sensibles aux mêmes propriétés physiques. Dans le troisième cas d'étude, nous avons testé la procédure d'inversion avec un noyau 3D pour étudier la fracturation dans un bloc de béton soumis à une contrainte croissante. / During my thesis, I worked on different aspects of monitoring the elastic properties of the crust, with both numerical analysis and applications with ambient noise. The main body of my thesis consists of two main parts: 1. Properties of coda waves A very important parameter that we continuously encounter in the different parts of my thesis work is the scattering mean free path. I present an original way to determine the scattering mean free path from phase statistics that was successfully tested on a volcano in Auvergne. Then I discuss an intensive numerical analysis of the depth sensitivity of coda waves. This work allowed us to relate the depth sensitivity of coda waves to a combination of bulk wave sensitivity and surface wave sensitivity that depends on the time in the coda and on the scattering mean free path of the medium. We were able to show a time dependence of the relative velocity change in the coda that allows us to discriminate a change that occurs at the surface from a change that occurs at depth. 2. Locating changes in multiply scattering media We developed an inversion method based on probabilistic approaches of the wave propagation to locate changes in the medium. As an additional aspect to seismic noise monitoring techniques that are based on the evaluation of time delays in the coda, we also study the waveform decoherence. Within this thesis, we apply and refine the inversion method with three case studies. We study pre-and co-eruptive changes at Piton de la Fournaise volcano in La Réunion Island. The challenge here is to correctly locate forthcoming eruptions. A second data set comes from the Mw7.9 Wenchuan earthquake in China. In this study, we take the time evolution of the coda into account and jointly invert the data at different times in the coda to study changes in the crust during and after the earthquake. From the results, we can clearly see that waveform decoherence and velocity variations are not sensitive to the same physical properties. In the third study, we test the inversion procedure with a 3D sensitivity kernel to study the fracturing of concrete blocks under increased tension.

Near surface measurements of seismic velocity and Q are useful in a number of situations, for example for when carrying out re-datuming and migration for depth images, or when analysing ground conditions for building. This thesis concentrates on the estimation of surface wave group and phase velocity as well as Q structure through the use of cross correlations of ambient noise recordings. Linearised tomography estimates are made for the British Isles, the Permain Basin of Texas and New Mexico, the Ekofisk Life of Field Seismic (LoFS) array and the Aquistore CO2 storage site. The results correspond well with the known geological structure and/or structure observed in velocity maps by other researchers. For the Ekofisk array a non-linearised non-linear method was also applied and the results estimated by these two methods for the Ekofisk LoFS array are compared. By non-linearised non-linear it is meant that the inversion method is fully non-linear and no linearisation has taken place in the method, this term will be used throughout this thesis for all methods which fall into this category. The tomography results from the two methods had similarities in their general structure but differences in the finer details, and so suggest that the substantial increase in time required for the non-linearised non-linear method is not justified. Linearised tomographic inversion of the Aquistore array was used to determine the potential of using ambient noise tomography for monitoring of CO2 storage sites. It was found that the repeatability of the tomography at the Aquistore site was not good enough to allow ambient noise tomography to be used for monitoring; however, it may be possible to apply the method at other sites. A Q and phase velocity inversion of the Ekofisk array is also presented, with results mostly showing excellent correlation with known geological features. It is shown that the higher frequencies are more sensitive to the effects of sea floor subsidence at the site, while lower frequencies are more sensitive to the effects of faulting. A final near surface method called ambient noise gradiometry was applied, this concentrates on estimating locations of sources of seismic energy within receiver arrays. Ambient noise gradiometry is applied to synthetic and real data for this purpose. It was found that using ambient noise gradiometry allows internal sources of energy to be identified but they produce a bias in the phase velocity tomography result. Two methods of reducing this bias are presented, both of which also provide an estimate of the source term for different sections of time of the recording.

Relative seismic velocity variations in the Earth’s crust can be estimated by using ambient seismic noise records from a pair of stations. Velocity variations can be caused by stress perturbations in the subsurface. Therefore, information on stress changes in the crust can possibly be retrieved from measured velocity variations in the medium. The measurement is done by comparing the coda part of two cross-correlation functions (CCFs) obtained from ambient noise recordings at two seismic stations; a current CCF that is considered to represent the actual state in the study medium at a specific time and a reference CCF that is considered to represent its average state. Here, the method is applied to the area around Katla volcano in southern Iceland. Katla is an active subglacial volcano and therefore frequent stress changes can be expected to take place there. Long-term changes (of the order of 1-2 months) in relative seismic velocity were estimated over a period of 7 months in 2011. These changes were of the order of about 0.1% for a frequency range of 0.2-1.0 Hz. For this frequency range, surface waves around Katla have been estimated to be most sensitive to velocity changes taking place at depths of about 1-5 km but the sensitivity kernels also have a peak at the surface. The scattering volume (in this case area since we are working with surface waves) depends on both the inter-station distance and how far into the coda the measurements are made. The inter-station distances vary between 5.8 and 23.4 km. Measurements are made 30 s into the coda. This results in scattering areas on the order of 100 km2. The velocity variations have a negative trend over July and over a two month period from the end of August until early November, and a positive trend in August and from early November until the end of the study period in late December. These variations are possibly the results of a combination of changes in the ground water level beneath the glacier, surface load changes and possibly hydrothermal and magmatic pressurization changes. No significant velocity change was estimated in the area associated with the tremor event that took place in early July in 2011. / Seismiska vågor är vibrationer i jordytan som genereras av jordbävningar, explosioner eller andra processer som skakar jorden. Seismiska vågor färdas genom jordens lager och innehåller därför information om jordens inre struktur. Dessa vibrationer kan hämtas med ett känsligt instrument som kallas seismometer. Seismiska vågor färdas med en viss hastighet som beror på hur hård och tung berggrunden är. Förändringar av dessa egenskaper kan därför resultera i förändringar av hastigheten. Dessa förändringar kan orsakas av spänningsförändringar under marken, till exempel trycket i porer eller variationer i vikten ovanför marken, exempelvis från en glaciär. I denna uppsats studeras förändringar av seismiska vågors hastighet kring vulkanen Katla på Island under 7 månader, 2011. Katla är en av Islands mest aktiva vulkaner och är belägen under en glaciär, Mýrdalsjökull. Detta görs genom att använda omgivande seismiskt brus, som består av seismiska vågor. Bruset genereras av tryckvariationer i samband med havsvågor. Bruset analyseras med en korrelationsanalys som bland annat isolerar spridda vågor från detaljer i strukturen och variationer av dessa med tid kan användas til mätningar av hastighets förändringar. Resultaten tyder på förändringar i relativ seismik hastighet avstorleken 0.1% som varar i en till två månader. Hastigheten minskar i juli och över en tvåmånadersperiod från slutet av augusti till början av november, men ökar i augusti och från början av november till slutet av december. Dessa variationer kan ha orsakats av en kombination av förändringar i grundvattennivån under glaciären, förändringar i glaciärens vikt och magmatiska processer. Inga tydliga förändringar i samband med sekvenser av små jordbävningar som ägde rum i början av juli 2011 kunde observeras frånförändringar i relativ seismisk hastighet runt Katla.

Les aquifères karstiques représentent des ressources en eau essentielles dans de nombreuses régions du monde comme le bassin Méditerranéen. Cependant, de par les processus complexes de karstification, ces aquifères sont hétérogènes à de nombreuses échelles et vulnérables. Dans cette thèse, nous étudions le potentiel de la gravimétrie et du bruit sismique ambiant pour la modélisation hydrologique en milieu karstique.Le site dolomitique de l’observatoire « GEK », sur le bassin du Durzon dans le Larzac, est le site d’étude privilégié de ces travaux. Dans l’observatoire, un gravimètre supraconducteur dédié à l’hydrologie mesure depuis 2011 les variations de gravité en continu et à une très haute précision, pour la première fois sur un karst. Des modèles hydrologiques conceptuels ont été réalisés à partir de cette surveillance gravimétrique et ont permis de poser les bases de modèles physiques d’écoulements 1-D. En effet la gravimétrie, intégratrice, permet 1) de considérer l’épikarst localement hétérogène comme un milieu tabulaire équivalent et 2) de définir les types de transfert à l’œuvre sur le site. En particulier, l’absence de transfert rapide dans l’épikarst a été quantifiée avec précision pour la première fois à l’échelle du terrain (~100m). A l’aide de données météorologiques locales, un bilan de masse précis a permis de définir le flux en limite inférieure du modèle à 1 mm.jour-1. Ce flux s’est montré représentatif du débit de basses-eaux de la source drainant l’ensemble du bassin. Ce résultat suppose une homogénéité de l’épikarst dolomitique quasiment à l’échelle du bassin. Les paramètres des modèles physiques ont ensuite pu être calibrés à l’aide d’un an d’intercorrélation du bruit sismique ambiant entre deux stations. Les variations de vitesses de phase obtenues entre 6 et 8Hz nous ont servi de « chronomètre » pour suivre l’infiltration entre 30 et 60m de profondeur. La surveillance passive des variations de vitesses sismiques par intercorrélation du bruit sismique ambiant montre ainsi un fort potentiel pour l’étude des zones critiques profondes et complexes à l’échelle du terrain et peut combler la lacune instrumentale qui existe actuellement en hydrologie.Des campagnes répétées de mesures avec un gravimètre portable à ressort ont également mis en évidence le fonctionnement différent de deux épikarsts et leur variabilité à l’échelle de la centaine de mètres. Des mesures mensuelles autour de l’observatoire ont mis en évidence l’homogénéité spatiale de cet épikarst dolomitique : toutes les stations ont les mêmes variations temporelles de stock d’eau. Au contraire, des mesures saisonnières en surface et en profondeur le long de la galerie souterraine calcaire de l’abîme de Saint-Ferréol ont montré une variabilité spatiale forte du stockage ainsi que du transfert rapide. La lithologie de l’épikarst est donc suspectée de jouer un rôle dans sa capacité de stockage. Lors de ces campagnes, la faiblesse du signal recherché a nécessité une méthodologie précautionneuse et un effet de température sur les mesures des gravimètres relatifs à ressort a été observé sur le terrain et quantifié en laboratoire. / Karstic aquifers represent the most important fresh water reservoirs in many regions of the world like the Mediterranean Basin. However, because of complex processes of karstification, those aquifers are highly heterogeneous at all spatial scales and vulnerable to contamination. In this dissertation, we studied the potential of gravimetry and ambient seismic noise for hydrological modeling in karstic areas.The dolomitic area surrounding the “GEK” observatory in the Durzon catchment on the Larzac plateau, in France, is the preferred site for these studies. Inside the observatory, a superconducting gravimeter dedicated to hydrology has continuously measured gravity changes since 2011 with high precision, undertaken for the first time on a karst. From this gravity monitoring, we made conceptual hydrological models which laid the foundation of 1-D flow physical models. Indeed, gravimetry is an integrative hydro-geophysical method which allows 1) to consider the epikarst, locally heterogeneous as an equivalent tabular medium and 2) to define the types of transfer (fast & slow) occurring at the site. Especially, the lack of fast transfer through the GEK epikarst was precisely quantified for the first time at the field scale (~100m). Gravity-driven water mass balance with local meteorological data (evapotranspiration from a flux tower and precipitation) allowed setting the bottom outlet of the model to 1 mm.day-1. This flow has proved to be representative of the low-flow discharge at the only spring which represents all groundwater outflows from the catchment. This result supposes the homogeneity of the dolomitic epikarst almost at the basin scale. Model parameters were next calibrated using one year of ambient seismic noise monitored at two stations. Phase velocity changes obtained by cross-correlating the noise between 6 and 8 Hz were used as a ”timer” to follow the water infiltration between a depth of 30 and 60 meters. Thus, monitoring seismic velocity changes using ambient seismic noise demonstrates great potential for the study of deep and complex critical zones and could fill the instrumental gap currently existing in hydrology.Time-lapse gravity measurements with a spring-based portable gravimeter have also demonstrated the different behavior of two epikarsts and their variability at the scale of a few hundred meters. Monthly measurements around the observatory revealed the spatial homogeneity of this dolomitic epikarst: all the stations showed the same water storage changes. On the contrary, seasonal surface to depth gravity measurements along the underground passage of the Saint-Ferréol sinkhole, in limestone, have shown fast transfer and strong spatial variability of water storage. Lithology is then expected to play a part in the epikarst capacity to retain water. The precision needed to measure the weak hydrological induced signals during those surveys required robust methodology and an ambient temperature effect on measurements with spring-based gravimeter was observed in the field and quantified in the laboratory.

Kawah Ijen (2386 m) is a stratovolcano located within Ijen Caldera, at the easternmost<p>part of Java island in Indonesia. Since 2010, the volcano has been equipped with seismometers<p>and several sensors (temperature and level) have been immersed in its acidic lake waters and in the acidic river seeping on the volcano flanks. While finding instruments capable of resisting to such extreme conditions (pH~0) has been challenging, the coupling of lake monitoring techniques with seismic data improves the knowledge of the volcanic-hydrothermal dynamics. Moreover, the monitoring capabilities have been considerably<p>enhanced supporting the decision-making of the authorities in case of emergency.<p><p>Several methods and processing techniques were used to analyze the seismic data. Much effort has been given to implement the seismic velocities (Moving Window Cross Spectral Analysis (MWCSA)) calculations. At Kawah Ijen, the frequency band that is less affected by the volcanic tremor and the seasonal fluctuations at the source ranges between 0.5-1.0 Hz. Moreover, a stack of 5 days for the current CCF gives reliable results with low errors and allows to detect fluctuations which are missed using a 10-day stack.<p><p>The background seismic activity mostly consists in low frequency events and a continuous tremor of low amplitude. Fluctuations of the lake temperature and level result from the recharge of the hydrothermal system during the rainy season. Kawah Ijen lake waters are not perfectly mixed and a shallow stratification occurs during the rainy season, because meteoric waters are less dense than the lake fluids.<p><p>Different unrest occurred during our study. Some of them strongly affected the volcanic lake, while others did only weakly. In the first category, a strong unrest commenced in October 2011 with heightened VT (Volcano Tectonic) earthquakes and low frequency events activity, which culminated mid-December 2011. This unrest was correlated with an enhanced heat and hydrothermal fluids discharge to the crater and significant variations of the relative velocities (~1%). This suggests an important build-up of stress into the system. VT earthquakes opened pathways for the fluids to ascend, by increasing the permeability of the system, which latter allowed the initiation of monochromatic tremor (MT) when the steam/gases interacted with the shallow portions of the aquifer. Our calculations evidence a higher contribution of steam in March 2012 that might explain the increase of the MT frequency when bubbles were observed at the lake surface. This period was also characterized by short-lived but strong velocity variations, related to water level<p>rises containing important amount of bubbles, and important heat and mass discharges<p>into the lake. On the contrary, the second category of unrest did only slightly affect the<p>lake system. This could be explained by a dryer hydrothermal system and/or locations of<p>the seismic sources, which were not directly linked to the lake.<p><p>While a magmatic eruption will likely be preceded by a strong seismic activity, the major challenges remain to understand why the unrest we studied did not lead to an eruption and to identify precursory signs of a phreatic eruption. Even a small phreatic eruption would be devastating for the people working everyday in the crater and the ones<p>who live nearby the voluminous acidic lake. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished