L’imagerie satellite radar propose un point de vue intéressant pour l’étude et la compréhension des océans. Là où l’altimétrie, reconnue et utilisée mondialement, a su s’imposer comme une source de données majeure, les observations de houle issues du SAR (de l’anglais « Synthetic Aperture Radar ») restent encore largement sous exploitées. L’objet de cette thèse est de promouvoir l’utilisation de ces données en proposant un modèle pour l’analyse et la prévision de la houle à l’échelle du globe qui soit indépendant des modèles numériques classiques comme Wavewatch-III. Ce travail s’inscrit dans une logique de pérennisation de la mesure de houle depuis l’espace avec le lancement dans les trois années à venir des trois missions satellites Sentinel-1 A et B et CFOSAT. Un des principaux résultats de ce travail est la capacité de la méthode développée à fournir une information plus précise que celle des modèles existants. Cette méthode permet également une meilleure caractérisation des mesures utilisées en entrée et des pistes d’amélioration de ces dernières sont dégagées pour les futures activités de calibration/validation. Ces travaux ouvrent également des perspectives sur les possibilités d’assimilation des sorties de ce nouveau modèle dans les modèles numériques classiques. / The capability to observe ocean swell using spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) has been demonstrated starting with ERS-1 mission in 1992. This dissertation shows how ocean swell properties can be used to combine swell observations of heterogeneous quality and acquired at various times and locations for the observation and forecast of ocean swell fieldsusing ASAR instrument on-board ENVISAT. The first section is a review of how ocean swell spectra can be derived from the SAR complex images of the ocean surface using a quasi-linear transformation. Then, significant swell heights, peak periods and peak directions from in situ measurements are used to assess the accuracy of the SAR observed swell spectra. Using linear propagation in deep ocean, a new swell field reconstruction methodologyis developed in order to gather SAR swell observations related to the same swell field. Propagated from their generation region, these observations render the spatio-temporal properties of the emanating ocean swell fields. Afterwards, a methodology is developed for the exclusion of outliers taking advantage of the swell field consistency. Also, using the irregularly sampled SAR observations, quality controlled estimations of swell field integral parameters are produced on a regular space-time grid. Validation against in situ measurements reveals the dramatic impact of the density of propagated observations on the integral parameters estimated accuracy. Specifically, this parameter is shown to be very dependent on the satellite orbit. Finally, comparisons with the numerical wave model WAVEWATCH-III prove it could potentially benefit from the SAR swell field estimates for assimilation purposes.

Les méthodes traditionnelles d'analyse du sous-sol reposent sur l'utilisation de sources sismiques (naturelles ou artificielles). Elles sont ainsi limitées par le nombre, la puissance et le taux d'occurrence de ces sources. Récemment, une alternative à ces méthodes actives a été proposée, basée sur l'utilisation de champs diffus (bruit sismique ambiant ou coda de séismes). Ces méthodes passives permettent de reconstruire des fonctions de Green dans le milieu à partir de l'intercorrélation d'enregistrements entre toutes les paires d'un réseau. L'objectif de cette thèse a été d'étudier les limites de ces techniques passives, afin d'en définir les champs d'application.<br>Ce travail est centré sur les petites échelles de la géophysique (10 m à 1 km) et aux hautes fréquences (5 à 50 Hz), où les propriétés du champ d'onde mettent souvent en défaut l'hypothèse de champ diffus du théoréme de corrélation. A partir de cas expérimentaux où la fonction de corrélation ne converge pas vers la fonction de Green, de nouvelles approches sont définies afin de retrouver malgré tout les propriétés du milieu.<br>L'importance de la distribution des sources de bruit pour les milieux non diffusant est mise en évidence. La caractérisation du champ d'onde est ainsi essentielle avant la mise en place de méthodes passives. Une étude comparative des méthodes l'imagerie active et passive est proposée. Elle montre que la résolution de l'imagerie passive est au moins aussi bonne que celle de l'imagerie active.<br>Enfin, une approche méthodologique est proposée pour l'étude du bruit ambiant, à partir d'outils issus de l'acoustique sous marine. Son application à l'étude de zones hydrothermales est discutée.

Cette thèse porte sur la propagation des ultrasons et des ondes sismiques de la coda en milieu hétérogène. Nous proposons deux méthodes d'analyse de l'information portée par la phase (la forme) des signaux diffus. 1) La localisation faible des ondes sismiques (~rétrodiffusion cohérente) a été observée sur un volcan (Auvergne). Cette expérience démontre la présence de diffusion multiple dans la coda et permet de quantifier le degré d'hétérogénéité du milieu. 2) Une technique d'imagerie passive a été développée : elle permet de faire de l'imagerie "sans source" par corrélation les ondes de la coda ou du bruit ambiant en milieu ouvert et diffusant. Une interprétation physique basée sur une analogie entre les corrélations et le retournement temporel a été proposée. Une étude approfondie du phénomène d'asymétrie temporelle des corrélation a été menée, fondée sur des simulations numériques, sur une expérience de sismologie en Alaska, et sur une expérience analogique en ultrasons (croûte terrestre analogique). L'importance de la position des sources et le rôle de la diffusion ont été démontrés. 3) La technique d'imagerie passive a été appliquée à l'imagerie ultrasonore d'un milieu stratifié par tomographie passive, à l'imagerie d'une interface et de deux diffuseurs isolés, et enfin au bruit sismique enregistré sur la Lune pendant la mission Apollo 17 (1972). La technique d'imagerie passive est donc opérationnelle sur d'autre planètes que la Terre, elle pourra être mise en oeuvre dans les futures missions spatiales, en particulier sur la Lune et sur Mars.

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.

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.

La surveillance d’un glissement de terrain vise à anticiper sa rupture pour réduire le risque d’accident. Elle s'opère généralement en mesurant les déplacements du sol. Ce travail propose une nouvelle technique de mesure de déplacement de glissements, flexible et à bas coût, basée sur l’utilisation d’étiquettes d’identification radiofréquence (RFID). La méthode de localisation d’étiquettes par différence de phase à 866 MHz est explorée en conditions extérieures et sur de longues durées. Cette étude a montré une détérioration de la mesure causée par les variations de température, d’humidité, de neige et de végétation. Après application de corrections, la précision de mesure a été améliorée, passant de ±20 cm à ±1 cm en conditions extérieures courantes. Cette technique fonctionne également en conditions neigeuses et en présence d’herbes hautes, mais avec une incertitude de mesure plus élevée (±8 et 4 cm respectivement). Ces erreurs de mesure sont provoquées par des effets de propagation, d’interférence multitrajets, et de per-turbations à proximité des antennes. Un système de mesure en continu a été déployé sur le glissement de terrain de Pont-Bourquin, en Suisse, pendant cinq mois. Ce dispositif a validé l’efficacité de la technique en conditions réelles. De plus, la mesure résiste bien aux intempéries et le dispositif demande peu de maintenance, en comparaison avec les techniques conven-tionnelles (extensomètre, GPS, station totale).Deux méthodes de mesure complémentaires aux déplacements ont ensuite été étudiées. La méthode de corrélation de vibrations ambiantes est prometteuse, mais n’a pas encore été utilisée en surveillance opérationnelle. Une étude bibliographique souligne plusieurs verrous à lever, tels que la correction des variations saisonnières et journalières, l’augmentation de la résolution temporelle, et le choix des paramètres de traitement adaptés au site surveillé. La méthode qui consiste à inverser une fonction de transfert entre des données de pluie et de déplacements est ensuite étudiée. Une inversion haute résolution de cette fonction est proposée. Elle permet d’identifier des comportements hydrologiques complexes (ex : infiltration à deux vitesses sur le site de Pont-Bourquin) et de mesurer leur évolution. Les avancées de cette thèse vont permettre d’améliorer la surveillance opérationnelle tout en réduisant son coût, répondant aux besoins des collectivités territoriales. / Landslide early-warning systems are based primarily on monitoring the displacement of the landslide. This work develops a new technique for monitoring these displacements, using radio-frequency identification (RFID) passive tags and phase-based location technique. This technique is deployed for the first time outdoors and for several months. Outdoor conditions revealed strong environmental influences due to temperature variations, moisture, snow and vegetation. These can cause a ±20 cm measurement uncertainty over a year, which is too large for landslide monitoring applications. The correction of these effects allows reaching the accuracy of ±1 cm under normal conditions, ±8 cm with snow and ±4 cm with dense high grass. The remaining effects due to snow and grass are explained by the influence of this material on the direct propagation, on the multipath interferences and on the antennas. This measurement system has been deployed on the Pont-Bourquin landslide for five months. The results validate the technique for landslide monitoring applications. The technique also shows the operational benefits of robustness to bad weather, easy maintenance and low-cost material, compared to conventional techniques (extensometer, GPS, total station).This thesis then studies two complementary monitoring methods that had recently been shown to provide precursors to landslide rupture. First, ambient seismic noise interferometry is used to detect a drop of shear-wave velocity prior to a rupture. The seismic method was studied in the literature to identify what must be developed to use this technique in an operational early-warning system. It requires getting rid of daily and seasonal environmental influences, choosing the processing parameters appropriate to the monitored landslide, and improving the temporal resolution below one day while keeping a stable enough signal. The other method consists of inverting an impulse response between rainfall and displacement rate, with a high resolution. It can shed light on complex infiltration processes (e.g. infiltration with two different delays at Pont-Bourquin) and detect their abnormal evolution across time. These developments should improve landslide operational monitoring with a low budget.