Au cours de leur propagation, les ondes sismiques sont atténuées par deux phénomènes : l'absorption causée par les propriétés anélastiques des matériaux, d'une part, et la diffusion ou " scattering " causée par la présence d'hétérogénéités de petite échelle dans le milieu d'autre part. L'objectif de cette thèse est de cartographier les propriétés de diffusion et d'absorption des ondes sismiques dans deux contextes géophysiques extrêmes présentant des échelles spatiales très différentes. La première partie du manuscrit est consacrée à la stratification d'hétérogénéité dans la Lune. À l'aide d'un modèle original de diffusion en géométrie sphérique, nous avons inversé les mesures de temps d'arrivée du maximum d'énergie et de décroissance de la coda sismique réalisée sur les données des missions Apollo. Nos inversions mettent en évidence un très fort contraste des propriétés de scattering entre le mégarégolithe très atténuant et le manteau lunaire profond transparent. L'atténuation est très largement dominée par le scattering et suggère la présence de fracturation jusqu'à environ 100 km de profondeur, affectant ainsi le manteau. Une nouvelle méthode d'estimation de la profondeur des séismes superficiels fondée sur les signaux diffus a été développée et permet de confirmer l'existence de failles actives autour de 50 km de profondeur. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la structure d'atténuation de Taïwan, une région qui présente des structures géologiques très variées dans un contexte tectonique de double subduction. On utilise la MLTWA (Multiple Lapse Time Window Analysis) -une méthode fondée sur le rapport entre énergie cohérente et incohérente du signal sismique- pour imager les variations latérales d'atténuation. Dans un premier temps nous avons travaillé dans l'hypothèse classique de diffusion isotrope dans un demi-espace. Nos résultats mettent en évidence un niveau d'atténuation globale très élevé ainsi que de forts contrastes des propriétés de scattering sur des échelles spatiales fines, de l'ordre de 10-20 km. La diffusion est particulièrement marquée dans les bassins de la côte ouest, le sud et la chaîne côtière associée à la collision avec l'arc volcanique de Luçon à l'est. L'absorption augmente graduellement vers l'est et atteint son maximum sous l'arc volcanique. L'examen de l'accord entre données et modèles a posteriori montre sans ambiguïté les limites de l'hypothèse de diffusion isotrope dans un demi-espace sur un ensemble de stations situées le long des côtes. Ceci nous conduit à explorer les effets de la diffusion anisotrope dans un guide d'onde modélisant la croûte. La prise en compte de l'anisotropie améliore significativement l'accord du modèle aux données. En particulier, à basse fréquence (1-2 Hz), notre étude démontre la prédominance de rétro-diffusion. Ce résultat est compatible avec la présence de forts contrastes d'impédance dans la croûte et suggère la présence massive de fluides dans les zones de failles et de volcans à Taïwan. La mesure de l'anisotropie de la diffusion ouvre des perspectives nouvelles de caractérisation des hétérogénéités géophysiques de petite échelle. / During their propagation, seismic waves are attenuated by two phenomena: on one hand, absorption caused by the anelastic properties of the materials, and on the other hand, scattering caused by the presence of small-scale heterogeneities in the medium. The aim of this thesis is to map the properties of scattering and absorption of seismic waves in two extreme geophysical contexts with very different spatial scales. The first part of this memoir is devoted to the stratification of heterogeneities in the Moon. We use a new diffusion model in spherical geometry to invert measurements of the time of arrival of the maximum of energy and the seismic coda decay on data from the Apollo missions. Our inversions provide evidence of a very sharp contrast of scattering properties between the highly attenuating megaregolith and the transparent deep lunar mantle. Attenuation is largerly dominated by scattering and suggests the presence of fractures down to about 100 km depth, into the mantle. A new method for estimating the depth of shallow moonquakes based on diffusive signals was developped and confirms the existence of active faults around 50 km deep. The second part of this thesis is devoted to the attenuation structure of Taiwan, a region with a wide variety of geological structures in the context of two subduction zones. We use the MLTWA (Multiple Lapse Time Window Analysis) -a method based on the ratio between the coherent and incoherent energy of the seismic signal- to image the lateral variations of attenuation. We worked first with the classical hypothesis of isotropic scattering in a half-space. Our results provide evidence for a globally high level of attenuation with sharp contrasts of scattering properties across small spatial scales, of the order of 10-20 km. Scattering is particularly strong in the basins of the west coast, southern Taiwan and the eastern Coastal Range associated with the collision with the Luzon volcanic arc. Absorption increases gradually eastwards and reaches a maximum below the volcanic arc. A posteriori examination of the fit between data and model shows unambiguously the limits of the hypothesis of isotropic scattering in a half-space for a number of stations located along the coasts. This leads us to explore the effects of anisotropic scattering in a guide for seismic waves representing the crust. Taking anisotropy into account significantly improves the fitness of the model to the data. In particular, at low frequency (1-2 Hz), our study shows the prevalence of backscattering. This result is compatible with the presence of sharp contrasts of impedance in the crust and suggests the strong presence of fluids in fault zones and volcanoes in Taiwan. The measurement of scattering anisotropy opens new perspectives for characterizing small-scale geophysical heterogeneities.

In this thesis, coda waves recorded by local seismographic networks will be analyzed to estimate the three-dimensional spatial distribution of scatterers (SDS). This will be done by using the single scattering approximation. This approach leads to a huge system of equations that can not be solved by traditional methods. For the first time, we will use the Simultaneous Iterative Reconstructive Technique (SIRT) to solve this kind of system in seismological applications. SIRT is slow but provides a means to carry out the inversion with greater accuracy. There is also a very fast non-iterative method that allows to carry out the inversion 102 times faster, with a higher resolution and reasonable accuracy: the Filtered Back-Projection (FBP). If one wishes to use this technique it is necessary to adapt it to the geometry of our problem. This will be done for the first time in this thesis. The theory necessary to carry out the adaptation will be developed and a simple expression will be derived to carry out the inversion.FBP and SIRT are then used to determine the SDS in southern India. Results are almost independent of the inversion method used and they are frequency dependent. They show a remarkably uniform distribution of the scattering strength in the crust around GBA. However, a shallow (0-24 km) strong scattering structure, which is only visible at low frequencies, seems to coincide with de Closepet granitic batholith which is the boundary between the eastern and western parts of the Dharwar craton.Also, the SDS is estimated for the Galeras volcano, Colombia. Results reveal a highly non-uniform SDS. Strong scatterers show frequency dependence, which is interpreted in terms if the scale of the heterogeneities producing scattering. Two zones of strong scattering are detected: the shallower one is located at a depth from 4 km to 8 km under the summit whereas the deeper one is imaged at a depth of ~37 km from the Earth's surface. Both zones may be correlated with the magmatic plumbing system beneath Galeras volcano. The second strong scattering zone may be probably related to the deeper magma reservoir that feeds the system.

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.

Une estimation précise de la magnitude est primordiale pour établir des catalogues de sismicité fiables. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode d’estimation de la magnitude de moment à partir de la coda des ondes crustales applicable sur les sismogrammes numériques et analogiques. Afin d’étudier les propriétés de la coda en France, nous avons réalisé une analyse fréquentielle et régionale des enveloppes de coda. Nous avons pu estimer le moment sismique M0 et la magnitude de moment Mw pour des sismogrammes numériques, mais pas pour des enregistrements sur papier pour lesquels le filtrage n’est pas possible. Nous avons donc observé les propriétés de la coda dans le domaine temporel. Nous avons déterminé un modèle empirique afin de représenter les enveloppes de coda du signal brut et obtenir une magnitude de coda Mcoda. A partir de la relation linéaire Mcoda/Mw, nous avons déterminé la magnitude de moment directement sur les enregistrements analogiques en France. / Accurate magnitude determination is necessary to establish reliable seismicity catalogs in order to assess seismic hazard. The main goal of this PhD is to develop a method for estimating moment magnitude Mw from coda waves applicable to new digital seismograms as well as to old paper records in France. In order to analyze coda waves properties in France, a study of the regional and frequency properties of coda-wave envelopes has been performed. From this spectral analysis of coda waves, we can estimate seismic moment M0 and moment magnitude Mw from digital seismograms but not from paper records for which no frequency filtering is possible. Therefore, in a second step, we have analyzed the coda-waves properties directly in the time domain. We develop an empirical model which fits the coda envelopes of the raw signal and permits to obtain a coda magnitude Mcoda. From the Mcoda/Mw relationship, we determined the moment magnitude directly from the old paper records in France.