Le présent travail de thèse aborde la question du couplage entre fluides et déformation en milieu sous-marin, un sujet d'importance dans le domaine des risques, naturels (séismes, glissements de terrain) ou industriels (stabilité des plateformes de forage en mer, par exemple). Trois études de cas sont présentées : les deux premières concernent la Mer de Marmara, en Turquie, une zone fortement exposée au risque sismique, du fait de la proximité de la Faille Nord-Anatolienne ; la troisième concerne une zone pétrolifère offshore, sur la pente continentale du delta profond du Niger. La première étude de cas en Mer de Marmara porte sur l'activité micro-sismique qui caractérise l'escarpement ouest du Bassin de Tekirdag. Notre étude montre que la déformation contribue à maintenir des perméabilités élevées associées au réseau de failles sous l'escarpement, ce qui permet aux fluides de remonter des réservoirs gaziers du Bassin de Thrace jusqu'à la surface. La deuxième étude de cas porte sur des micro-évènements enregistrés par les sismographes de fond de mer, non sismiques, de courtes durées (200 à 600 msec), et caractérisés par des fréquences comprises entre 10 et 30 Hz. Notre étude montre que ces micro-évènements sont liés à des expulsions de gaz. Les OBS fournissent donc des informations inattendues pour l'étude des processus de dégazage naturel en fond de mer. La troisième étude de cas, sur la pente continentale du Nigeria, démontre que la combinaison de piézomètres et d'OBS voisins en fond de mer permet de suivre l'évolution des phases d'accumulation et de vidange de gaz dans les sédiments superficiels. La détection et la surveillance des phénomènes de dégazage naturel en fond de mer est d'une importance qui pourrait s'avérer critique dans les zones d'exploitation pétrolière en domaine offshore. D'une manière générale, ce travail plaide pour la nécessité : i) de disposer de plusieurs réseaux d'observatoires sous-marins câblés en Mer de Marmara et d'un modèle de vitesse-3D rendant compte du fort gradient de vitesses sismiques dans les couches superficielles (la structure de vitesses du domaine sous-marin étant radicalement différente de celle du domaine émergé, la combinaison des données sismologiques à terre et en mer s'avère très difficile); ii) de développer des approches de surveillance multi-paramètres. Pour chaque paramètre, il est nécessaire de connaître la variabilité naturelle "normale", de manière à détecter les variations anormales. La recherche sur les processus physiques et le développement algorithmique doivent être conduits de front.

Dans les systèmes compressifs, l'idée que les processus de déformation ne peuvent plus être considérés séparément des processus de surface émerge depuis une dizaine d'années. Toutefois, peu d'études ont été réalisées concernant l'effet de la sédimentation sur les structures compressives kilométriques à pluri-kilométriques. Nous avons donc tenté de comprendre comment la sédimentation agit sur la déformation à cette échelle, et comment l'enregistrement sédimentaire est influencé en retour. Des structures chevauchantes bordières de plusieurs bassins sédimentaires tertiaires de la péninsule ibérique ont tout d'abord été étudiées sur le terrain. Lorsque la sédimentation à leur mur est forte, elles présentent systématiquement plusieurs segments imbriqués en séquence arrière avec un pendage croissant. En retour, la paléogéographie et le drainage du bassin sont localement réorganisés. L'effet de la sédimentation a ensuite été testé sur des modèles analogues fragile-ductile soumis à une compression. Dans les expériences, le nombre et le pendage des failles chevauchantes augmentent avec la vitesse des dépôts syn-cinématiques à leur front. A taux de sédimentation faible ou nul, les chevauchements sont permanents et relativement plats (moins de 40°). A taux de sédimentation plus élevé, des séries de rampes chevauchantes de plus en plus redressées (jusqu'à 65°) se développent en séquence arrière. La géométrie et l'évolution des expériences dépendent donc des variations spatiales et temporelles du taux de sédimentation syn-cinématique. Elles dépendent également de la rhéologie initiale des modèles et de celle des dépôts syn-cinématiques. Pour finir, nous avons comparé des données sismiques (des Apennins et du Delta du Niger) aux données de terrain et aux résultats expérimentaux. Cette confrontation a permis de valider les lois de comportements proposées pour les structures de croissance compressives à partir des différentes approches.