Cette thèse porte sur la mesure par interférométrie radar (InSAR), et la modéli\-sation de faibles déformations, de moyennes à grandes longueurs d'onde spatiale. L'InSAR s'est révélée être, depuis quelques années, un outil performant pour mesurer de petites déformations, à la condition, notamment, de corriger suffisamment les délais atmosphériques perturbant le signal radar et la mesure de la déformation. Une partie de cette thèse montre des développements méthodologiques spécifiques effectués afin d'obtenir une mesure subcentimétrique effective sur deux chantiers d'application. Les deux études présentées dans ce manuscrit montrent deux approches différentes, liées aux contraintes matérielles (nombre d'images/nombre d'interférogrammes calculables) et au type de déformation recherché. Dans un premier temps, j'ai mesuré la déformation autour du lac Mead (Nevada, USA). Cette déformation est due aux fluctuations du niveau d'eau du lac depuis sa mise en eau en 1935. Pour quantifier cette déformation, et contraindre les paramètres visco-élastiques de la lithosphère dans la région du lac Mead, j'ai analysé 241 interférogrammes calculés avec des images acquises par les satellites ERS entre 1992 et 2002. L'inversion des interférogrammes corrigés des délais orbitaux et tropostatiques a permis d'établir la série temporelle du déplacement du sol sur ces 10 années. Des modèles directs montrent qu'une simple réponse élastique n'explique ni l'amplitude de la déformation, ni la longueur d'onde spatiale de la déformation. Il semble donc qu'il soit nécessaire de prendre en compte la viscosité du manteau pour retrouver la déformation. Un modèle simple, concordant avec une étude précédente \citep{kaufmann00a}, constitué d'une croûte élastique d'environ 30 km et d'un manteau supérieur présentant une viscosité de 10$^{18}$ Pa.s, explique bien les données. Dans un deuxième temps, je me suis intéressé à la déformation intersismique à travers la faille de Haiyuan (Gansu, Chine), située au nord est du plateau tibétain. Il s'agit d'une des failles décrochantes sénestres majeures qui accommode en partie la collision Inde-Asie. L'objectif était de mieux contraindre le comportement mécanique de ce système de faille, à l'origine de deux séismes de M$\sim$8 au cours du XXième siècle. Je me suis focalisé sur un segment particulier de la faille appelé ''la lacune sismique de Tianzhu'', dont la vitesse long-terme à été estimée à 12 $\pm$4 mm/an à partir d'études neotectoniques. J'ai analysé des données radar ERS acquises sur deux orbites descendantes le long de la lacune. Une fois les interférogrammes corrigés de l'erreur résiduelle orbitale et du délai tropostatique, ils ont été sommés afin d'obtenir une carte de vitesse moyenne dans la zone de faille (déterminée par les images ERS disponibles, i.e. 1993-1998). Un modèle classique de dislocation dans un demi-espace élastique homogène indique une vitesse instantanée de 6.5 $\pm$3 mm/an, mais aussi une profondeur de blocage faible autour de 1.7 km. Cependant, ce résultat peut aussi être expliqué par d'autres modèles incluant une zone d'endommagement autour de la faille ou du glissement superficiel.

Les processus physiques et chimiques activés pendant le cycle sismique déterminent l'évolution des propriétés mécaniques des failles, à court terme (pendant un séisme) comme à long terme (la récupération des propretés élastiques des roches de faille après un seisme). L'étude des roches de faille naturelles est un moyen pour identifier les processus actives pendant les diverses phases des cycle séismique. En cette thèse, échantillons prévenants de deux failles séismiques sont étudiés: la Faille de San Andreas (California, USA), une faille séismique active, et la faille de Gole Larghe (Alpes Méridionales, Italie), une faille séismique exhumée. La Faille de San Andreas a été forée jusqu'à 2.7km de profondeur. Les échantillons montrent une superposition de: pression-dissolution - hydrofracturation - pression dissolution. La succession des évents est compatible avec la formation de sacs de fluides dans zones de basse perméabilité dans la faille, ou la pression de fluides augmente à cause de le progressif compactage de le gouge de faille, jusqu'à la nucléation de une rupture. La faille de Gole Larghe est une faille exhumée, qui a préservé des pseudotachylytes (roches fondues par le chaleur de friction pendant une frottement séismique) formées à 9 - 11 km de profondeur il y a 30 millions d'années. Deux argumentes sont traités: (i) l'évolution des microstructures des cataclasites associées à les pseudotachylytes, pour identifier les processus qui peuvent porter à la formation de instabilités frictionnelles pendant les premières phases de croissance de une faille. (ii) L'origine des fluides en failles séismiques et pendant la fusion pour friction. La formation de un système de failles à cataclasites permit la percolation de un fluide aqueux de profondeur. La composition isotopique des pseudotachylytes (calculé sans la component de hydratation) est proche à celle des pseudotachylytes reproduites en expériences du laboratoire (sans fluides). La principale source de fluides pendant la fusion pour friction est donc la déshydratation des minéraux hydraté des roches autour de la faille.

Le système de failles de Haiyuan qui borde le plateau du Tibet au Nord-Est est un système majeur sénestre. Au cours du dernier siècle, deux grands séismes (M~8) ont rompu ce système de failles: le séisme de Haiyuan en 1920 et le séisme de Gulang en 1927. A l'aide d'interférométrie radar à synthèse d'ouverture, nous analysons les variations spatiales et temporelles de la déformation intersismique au travers de la faille de Haiyuan, dans une zone étendue (150x150 km2) qui couvre l'extrémité Ouest de la rupture de 1920 et la lacune sismique de Tianzhu. Avec une approche dite en Small Baseline, nous traitons cinq séries temporelles d'images SAR, acquises par le satellite Envisat le long de tracks descendantes et ascendantes pendant la période allant de 2003 à 2009. Les cartes de vitesse moyenne de déformation dans la ligne de visée du satellite ainsi obtenues sont cohérentes avec un mouvement sénestre au travers de la faille et montrent des variations latérales du gradient de vitesse dans la zone de faille. Nous inversons ces cartes de vitesse moyenne en LOS pour obtenir le taux de chargement à court terme en profondeur et la distribution du glissement dans la partie sismogène le long du plan de faille. Le taux de chargement en profondeur est d'environ 5mm/an. Les sections de faille ayant rompu en 1920 et une grande partie de la lacune sismique de Tianzhu sont bloquées en surface. Entre ces deux sections, un segment de 35 km de long, qui montre une forte activité micro-sismique, glisse de manière asismique avec un taux de glissement horizontal qui atteint presque 5 mm/an. Cependant, le taux de glissement asismique le long de la partie sismogène varie le long du plan de faille et atteint localement des taux supérieurs au chargement tectonique, suggérant des variations temporelles du glissement asismique. La comparaison de profils moyens de vitesse parallèle à la faille issus de données InSAR sur les périodes 1993-1998 (données ERS) et 2003-2009 suggèrent une migration vers la surface du glissement asismique sur une période de 20~ans. Une analyse en séries temporelles des données Envisat, en appliquant un lissage temporel, montrent une accélération du taux de glissement asismique pendant l'année 2007. Cette accélération est précédée et a probablement été déclenchée par un séisme de magnitude 4.7 au sein même du glissement asismique. Enfin, nous étudions la relation entre l'évolution spatio-temporelle du glissement asismique en surface et la rugosité de la trace de la faille à l'aide d'une analyse multi-échelle. Nous montrons que les propriétés élastiques de la croûte cassante contrôlent la rugosité de la faille, qui exerce à son tour un contrôle sur la distribution de glissement asismique en surface. Le glissement asismique est fait de spasmes qui interagissent les uns avec les autres en suivant une loi d'échelle similaire à la loi de Gutenberg-Richter pour les séismes. / The Haiyuan fault system is a major left-lateral fault system bounding the tibetan plateau to the north-east. Two M~8 earthquakes ruptured that fault system in the past hundred years: the 1920, Haiyuan earthquake and the 1927, Gulang earthquake. Here, we use Synthetic Aperture Radar interferometry to explore the spatial and temporal variations of the interseismic deformation across the Haiyuan fault, over a broad (150x150 km2) area covering the 1920 rupture zone and the millennial Tianzhu seismic gap. Using a small baseline approach, we process five SAR images time series acquired by the Envisat satellite along descending and ascending orbits, spanning the 2003-2009 period. The resulting mean Line-Of-Sight velocity maps are, in overall, consistent with left-lateral motion across the fault and reveal lateral variations of the velocity gradient in the near fault zone. We invert these mean LOS velocity maps for the short-term loading rate on the fault plane at depth and for the shallow slip distribution along the seismogenic part of the fault. The short-term loading rate is about 5 mm/yr. The shallow sections of the fault, that ruptured in 1920 and the most part of the Tianzhu seismic gap are currently locked. In between, a 35 km-long section, that experiences a strong micro-seismic activity, is creeping at a mean horizontal rate of almost 5 mm/yr. However, the shallow creep rate varies along the fault strike and locally reaches values higher than the deep loading rate. This suggests temporal fluctuations of the observed aseismic slip. The comparison of InSAR-derived averaged profiles of the fault parallel velocity, spanning the 1993-1998 (ERS data) and 2003-2009 periods, suggests an upward migration of the creep over the 20 years-long observation period. A time series analysis on the Envisat dataset using a temporal smoothing reveals a creep rate increase during the year 2007. This rate increase follows and may have been triggered by a M4.7 earthquake that occurred on the creeping patch. We finally investigate the relationship between the spatio-temporal evolution of the surface creep and the roughness of the surface fault trace with a multiscale analysis. We show the control of the elastic properties of the brittle crust on the fault roughness, that in turn exerts a direct control on the surface aseismic slip distribution. The aseismic slip is made of locally interacting bursts that follow a scaling law similar to the Gutenberg-Richter law for earthquakes.

Les processus physiques et chimiques activés pendant le cycle sismique déterminent l'évolution des propriétés mécaniques des failles, à court terme (pendant un séisme) comme à long terme (la récupération des propretés élastiques des roches de faille après un seisme). L'étude des roches de faille naturelles est un moyen pour identifier les processus actives pendant les diverses phases des cycle séismique. En cette thèse, échantillons prévenants de deux failles séismiques sont étudiés: la Faille de San Andreas (California, USA), une faille séismique active, et la faille de Gole Larghe (Alpes Méridionales, Italie), une faille séismique exhumée. La Faille de San Andreas a été forée jusqu'à 2.7km de profondeur. Les échantillons montrent une superposition de: pression-dissolution - hydrofracturation - pression dissolution. La succession des évents est compatible avec la formation de sacs de fluides dans zones de basse perméabilité dans la faille, ou la pression de fluides augmente à cause de le progressif compactage de le gouge de faille, jusqu'à la nucléation de une rupture. La faille de Gole Larghe est une faille exhumée, qui a préservé des pseudotachylytes (roches fondues par le chaleur de friction pendant une frottement séismique) formées à 9 - 11 km de profondeur il y a 30 millions d'années. Deux argumentes sont traités: (i) l'évolution des microstructures des cataclasites associées à les pseudotachylytes, pour identifier les processus qui peuvent porter à la formation de instabilités frictionnelles pendant les premières phases de croissance de une faille. (ii) L'origine des fluides en failles séismiques et pendant la fusion pour friction. La formation de un système de failles à cataclasites permit la percolation de un fluide aqueux de profondeur. La composition isotopique des pseudotachylytes (calculé sans la component de hydratation) est proche à celle des pseudotachylytes reproduites en expériences du laboratoire (sans fluides). La principale source de fluides pendant la fusion pour friction est donc la déshydratation des minéraux hydraté des roches autour de la faille. / The time recurrence of earthquakes is the result of the feedback between the tectonic loading and the evolution of fault strength during the seicmic cycle. This thesis aims to identify the chemical and physical processes in fault rocks from the modern seismogenic San Andreas Fault (California, USA) and the ancient seismogenic Gole Larghe Fault (Southern Alps, Italy). The San Andreas Fault was drilled to 2.7 km depth, and samples were extracted from the depth of nucleation of repeating microearthquakes. A cyclic recurrence of pressure-solution creep – hydrofracture - pressure solution creep supports the idea that isolated compartments of high fluid pressure might cause the nucleation of small to moderate size earthquakes, associated with the dominant creeping activity in this fault segment. The Gole Larghe Fault Zone was active 30 Ma ago at 9 – 11 km depth. The occurrence of pseudotachylytes witnesses its seismic behavior. Two topics were investigated: (i) The fabric evolution of cataclastic rocks with increasing deformation, to identify the processes potentially leading to the onset of unstable slip at the early stages of fault growth. (ii) The origin of fluids involved in seismic faulting and frictional melting. The formation of a cataclastic fault network allows the ingression of external hydrous fluids, probably of deep origin. The similar isotopic composition of natural pseudotachylytes and pseudotachylytes produced in dry conditions suggests that the fluid source is the dehydration of OH-bearing minerals in the wall rocks induced by coseismic frictional heating.