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.

Cette thèse s'intéresse au développement des méthodes d'auscultation sismique passive pour l'imagerie et la surveillance des mines profondes. Les résultats marquants sont 1/ la possibilité d'imager en profondeur les structures géologiques d'intérêt et 2/ la possibilité de suivre dans le temps les propriétés mécaniques des roches qui subissent les sollicitation associés à l'exploitation minière. Ce travail ouvre des perspectives quant à l'amélioration de la sécurité dans les mines profondes. / This work focus on using passive noise-based seismic methods to image and monitor the rock mass in underground mines. The main results show that it is possible to gain benefit from the diffuse ambient seismic field in mines to 1/ image the rock mass and 2/ monitor its mechanical property changes over time. This work opens a way to improve safety in deep underground mines.

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.

La technique des corrélations de bruit ambiant est aujourd'hui largement utilisée en sismologie. Elle présente l'avantage essentiel de fournir des données qui ne dépendent pas de l'occurrence des séismes. Cette technique a été utilisée pour imager avec une bonne résolution la croûte dans plusieurs régions du monde. Depuis plus récemment, les corrélations de bruit sont également utilisées pour détecter des variations des propriétés élastiques de la croûte terrestre, et suivre l'évolution temporelle de structures géologiques potentiellement dangereuses. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté en deux parties principales : 1/ Une étude méthodologique pour améliorer la qualité des mesures sur les corrélations de bruit. La distribution des sources de bruit empêche généralement la reconstruction parfaite de la fonction de Green dans les corrélations de bruit, pouvant introduire des biais dans les mesures basées sur le bruit sismique ambiant. Nous présentons dans ce manuscrit deux approches différentes pour essayer d'éliminer l'influence des sources de bruit dans nos mesures. 2/ Une étude de suivi temporel dans la province du Sichuan (Chine), autour du séisme du Wenchuan (12 mai 2008, Mw = 7.9). Cette application offre des conditions exceptionnelles à une application de suivi temporel, avec l'étude d'un très puissant séisme continental et un très grand nombre de données. Nous nous sommes en particulier intéressés au comportement de la croûte à différentes profondeurs, en réponse au séisme. Nous présentons également une méthode d'inversion pour localiser les variations dans le milieu. / The ambient noise correlation technique is now widely used in seismology. It is especially useful since data provided do not depend on the occurrence of earthquakes. This technique has been used to construct high-resolution tomographic images of the crust in various regions of the world. More recently, ambient noise correlations have been used to detect changes in elastic properties of the Earth's crust, and monitor the temporal evolution of potentially dangerous geological structures. In this scientific context, my research work has consisted of two main parts : 1/A methodological study to improve the quality of noise-based measurements. Usually, the distribution of noise sources prevents the exact reconstruction of the Green's function in noise correlations, that may introduce bias in noise-based measurements. We propose here two different approaches that can help in suppressing noise source influence in measurements. 2/A monitoring case study in Sichuan (China), associated with the Wenchuan earthquake (12 May 2008, Mw = 7.9). This case study provides many opportunities, with the study of a great continental earthquake and a large amount of data available. We especially investigated the behavior of the crust at different depths, in response to the Wenchuan earthquake.We also present an inversion method in order to locate variations in the medium.

La compréhension et la prévision de la dynamique d'évolution des mouvements de terrain peuvent être améliorées par un apport de données quantitatives sur leur géométrie tridimensionnelle, leur état de déstructuration et les circulations préférentielles de fluide. L'objet de ce travail de thèse, à la fois méthodologique et expérimental, est de mener une étude critique des apports et limites des différentes techniques géophysiques (tomographie électrique, méthodes sismiques, traitement du bruit de fond sismique et mesure de la polarisation spontanée) pour la caractérisation des mouvements de terrain. <br /><br />Nous avons mené des campagnes géophysiques sur cinq sites tests. Ces sites ont été choisis en milieu rocheux et de grande ampleur (Séchilienne, Isère, et La Clapière, Alpes Maritimes) ou de taille modérée (Ravin de l'Aiguille, Isère) et en contexte argileux (Super Sauze, Alpes de Hautes Provence, et Léaz, Ain). Nous montrons que, selon le degré de remaniement, l'étude des paramètres géophysiques tels que $\rho$ (tomographie électrique), $V_P$ (sismique réfraction et tomographie) et $V_S$ (sismique réfraction et analyse des ondes de surface) peut permettre de caractériser la géométrie du mouvement. Nous préconisons pour l'analyse des ondes de surface de contraindre la paramétrisation par $V_P$ si elle est connue en surface et par la fréquence du pic H/V. En outre, pour une géométrie régulière et des faibles gradients latéraux de $V_S$, nous montrons que la méthode H/V peut aider à obtenir rapidement des informations quantitatives sur la variation spatiale de la géométrie du substratum. <br /><br />%Nous préconisons pour l'étude de la géométrie des mouvements rocheux, le déploiement de méthodes tomographiques (électrique et sismique) et l'analyse des ondes de surface enregistrées lors de prospection sismique et par des réseaux de bruit de fond, en tenant compte des informations sur $V_P$ en surface et de la fréquence de résonance du pic H/V. La caractérisation des écoulements au sein des mouvements est améliorée lorsque l'on associe l'interprétation des mesures de résistivité et de polarisation spontanée. <br /><br />%Selon le degré de remaniement des argiles en mouvement, l'étude des paramètres géophy\-siques tels que $\rho$ (tomographie électrique), $V_P$ (sismique réfraction et tomographie) et $V_S$ (sismique réfraction et analyse des ondes de surface) peut permettre de caractériser la géométrie du mouvement. Pour une géométrie régulière et des faibles gradients latéraux de $V_S$, l'utilisation de la méthode H/V peut aider à obtenir rapidement des informations quantitatives sur la variation spatiale de la géométrie du substratum. <br /><br />Enfin, nous avons déployé un réseau d'électrodes impolarisables pour le suivi temporel de la polarisation spontanée sur le mouvement de grande ampleur de Séchilienne. Ce réseau a permis de mettre en évidence les trajets préférentiels de circulation de fluide au sein du massif et de rendre compte de leur complexité.

La technique des corrélations de bruit ambiant est aujourd'hui largement utilisée en sismologie. Elle présente l'avantage essentiel de fournir des données qui ne dépendent pas de l'occurrence des séismes. Cette technique a été utilisée pour imager avec une bonne résolution la croûte dans plusieurs régions du monde. Depuis plus récemment, les corrélations de bruit sont également utilisées pour détecter des variations des propriétés élastiques de la croûte terrestre, et suivre l'évolution temporelle de structures géologiques potentiellement dangereuses. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté en deux parties principales : 1/ Une étude méthodologique pour améliorer la qualité des mesures sur les corrélations de bruit. La distribution des sources de bruit empêche généralement la reconstruction parfaite de la fonction de Green dans les corrélations de bruit, pouvant introduire des biais dans les mesures basées sur le bruit sismique ambiant. Nous présentons dans ce manuscrit deux approches différentes pour essayer d'éliminer l'influence des sources de bruit dans nos mesures. 2/ Une étude de suivi temporel dans la province du Sichuan (Chine), autour du séisme du Wenchuan (12 mai 2008, Mw = 7.9). Cette application offre des conditions exceptionnelles à une application de suivi temporel, avec l'étude d'un très puissant séisme continental et un très grand nombre de données. Nous nous sommes en particulier intéressés au comportement de la croûte à différentes profondeurs, en réponse au séisme. Nous présentons également une méthode d'inversion pour localiser les variations dans le milieu.