La sismique pétrolière est un domaine d'innovation continue depuis plus d'un siècle. Une part non négligeable des études concerne la séparation des différentes ondes se propageant dans le milieu exploré, en particulier les ondes de surface. A petite profondeur, les ondes de surfaces servent à la tomographie. Bien les connaître et les modéliser permet d'imager la proche surface. Quand la prospection est tournée vers les grandes profondeurs – soit 95% de l'industrie géophysique - ces ondes masquent les ondes de volume qui contiennent les informations sur les couches profondes. Il est donc fondamental de pouvoir s'en affranchir et l'étape de séparation est des plus importantes. Les ondes de surface peuvent cependant être utilisées pour une meilleure connaissance de la proche surface, ce qui permet d'en déduire après coup des paramètres utilisables pour améliorer l'imagerie en profondeur. La recherche s'est renouvelée dans ce domaine du fait de l'impulsion récente donnée par l'imagerie sismique passive à partir du bruit sismique ambiant ou la mise en place de nouvelles géométries d'acquisition. En parallèle, l'étude des champs pétroliers existants pour une meilleure exploitation tend à se développer dans l'industrie. La maîtrise de l'imagerie 4D (3 dimensions d'espace + le temps, appliqués à la surveillance de réservoir) devient dès lors une activité clé pour la recherche dans laquelle les variations des paramètres du sous-sol sont estimées. Le travail de thèse réalisé est issu des constatations suivantes : - En dépit de travaux très riches, les ondes de surface représentent encore un sujet d'investigation important en exploration géophysique. - Les expérimentations à l'échelle du laboratoire restent relativement peu usitées en géophysiques, en particuliers pour des études impliquant un grand nombre de points de mesure. La première partie de la thèse a permis de valider un environnement de laboratoire adapté à l'étude des ondes de surfaces, en particulier la mise en évidence d'un mélange « ondes de surface – ondes de volume » analogue à celui rencontré lors d' acquisitions terrestres. Ceci a pu être réalisé grâce à des gels d'Agar-agar de forte densité et la mise en place d'une chaine d'acquisition automatisée impliquant des réseaux de sources et de récepteurs denses. Une deuxième partie a permis de séparer les ondes de surface et les ondes de volume à l'aide de traitement d'antennes. Après séparation des ondes, il devient possible de suivre leurs variations de temps d'arrivées en présence de modification du milieu en surface et/ou en profondeur comme dans le cas d'une surveillance de réservoir en sismique pétrolière (4D). Une étude 4D complète a donc été réalisée, permettant de suivre non seulement les variations de temps d'arrivées mais également d'amplitude et de directions de départ et d'arrivées des ondes. Une méthode pour compenser les variations de vitesses parasites de la proche surface à été développée. Cette étude a été complétée par une étude issue de données terrains. Les profils de vitesse rencontrés sur le terrain font état de vitesses relativement faibles en surface. La conséquence en est que les différentes ondes de volume issues de la profondeur arrivent avec des angles d'incidences faibles et voisins les uns des autres. Les méthodes classiques de séparation d'ondes étant souvent inefficaces à ces angles, un chapitre a été consacré à l'étude des algorithmes de haute résolution dans le cadre de l'exploration sismique. Enfin, en tirant partie de la haute densité spatiale de points d'acquisitions rendue possible par l'environnement mise en place, une étude comparée de deux dispositifs - l'un théoriquement idéal mais peu réaliste et l'autre économiquement viable sur le terrain mais moins efficace - a permis de s'attaquer au problème des ondes réfléchies sur des diffractants en surface qui perturbent beaucoup les acquisitions actuelles. Une nouvelle solution de filtrage a été proposée pour le deuxième cas. / Seismic exploration is a continuous innovation domain since more than one century. A significant part of the studies consists in separating the various waves propagating in the medium, especially surface waves. In the near-surface, surface waves are useful for tomography. Near-surface imaging becomes possible if they are well modelised. When exploration is dedicated to depth – meaning more than 95% of the seismic exploration business – the surface waves mainly hide body waves, which contains the informations related to the depth. Body and surface wave separation then becomes a fundamental task. In these situations, the surface waves can nevertheless be used to better know the near surface. It allows computing parameters usable to better the depth imaging. Research knew recent developments in this domain due to the recent impulsion given by the passive seismic imaging from ambient noise and the study of new acquisition designs with high spatial density. In parallel, the oil fields study for better exploitation is growing as a new industrial development axis. 4D (i.e. 3 spatial dilensions + time) imaging mastering becomes a key research activity, in which sub-surface parameters are estimated and monitored. This PhD thesis comes from the following remarks: - Despite rich works, surface waves are still an important research issue in seismic exploration. - Laboratory scale experiments know relatively few investigations, especially for high density acquisition design. The first step has been dedicated to the set up and the validation of a complete acquisition environment in the laboratory, adapted to surface wave study and high spatial density. Using Agar-agar phantoms, a mix of S body waves and Rayleigh surface waves comparable to the on-field P body waves and Rayleigh wave mix has been highlighted. Then, using array processing, wave separation has benne successfully demonstrated. After waves separation, it becomes possible to follow their arrival time variation in presence of surface and/or depth variation in the medium, as in reservoir monitoring conditions. A complete 4D study has been performed, allowing not only the arrival time monitoring but also amplitude and arrival and launch directions. A method has been proposed to compensate the near-surface spurious variations. An adaptation of the method on a field data set is then performed. Generally, velocity profiles on the field show weak velocities in the sub-surface. As a consequence, the various waves coming from the depth have weak and comparable incidences angles. Classical separation method using array processing are usually insufficient to work with such incidence angles set. For this reason, a complete part of this work has been dedicated to the study of high resolution algorithms in the frame of seismic exploration and their adaptation. At the end, taking advantage of the high spatial density allowed by the laboratory environment, a comparative study of two designs – the first one theoretically ideal but somewhat unrealistic and the second one more viable economically but less efficient – has been performed to address the scattered waves filtering issue. For the second design, a new filtering method has been proposed to enhance the scattered waves filtering.

Dans l'océan, les changements de température induisent des perturbations de la vitesse de propagation des ondes acoustiques. La tomographie acoustique océanique utilise les fluctuations de signaux acoustiques enregistrés pour cartographier ces perturbations de vitesse du son. Cette étude propose une méthode alternative utilisant la direction de propagation des ondes acoustiques (plutôt que les temps de propagation utilisés classiquement) pour imager un guide d'onde océanique peu profond (~100 m), petite échelle (1 à 10 km), avec une haute résolution spatiale (10 m horizontalement, 2 m en profondeur). Dans ce contexte, les ondes acoustiques basse fréquence (~1 kHz) à large bande spectrale (~1.5 kHz) se propagent selon des trajectoires multiples assimilables à des rayons géométriques épais spatialement. L'utilisation d'un couple d'antennes (émission/réception) et de la double formation de voies permet de séparer les signaux en provenance des différents trajets acoustiques et de mesurer leur : temps de propagation (TP), direction d'arrivée (DA) et direction de départ (DD). Dans l'hypothèse de faibles perturbations, les variations des TP, DA et DD sont reliées linéairement aux perturbations de la distribution de vitesse du son de manière analytique. Cette formulation, basée sur la physique de la diffraction de Born au 1er ordre, utilise des fonctions noyaux appelées : noyaux de sensibilité temps-angles (NSTA). Les méthodes classiques d'inversion permettent alors de retrouver les perturbations de vitesse à partir des variations de TP, DA et DD en utilisant les NSTA. Les méthodes développées ont été validées sur données simulées, puis appliquées à des données réelles d'expériences à échelle réduites réalisées dans la cuve ultrasonore de l'ISTerre, Grenoble. / In the ocean, temperature changes induce sound-speed perturbations. Ocean acoustic tomography uses the fluctuations of recorded acoustic signals, to map those sound-speed perturbations. To this end, sound-speed perturbations are classically related to the acoustic-wave travel-times measured on the records. This study suggests an alternative method to perform acoustic thermometry based on acoustic-wave propagation directions. It allows imaging a shallow-water waveguide (~100 m), at small scale (1 to 10 km), with high spatial resolution (10 m in range, 2 m in depth). In this context, wideband (~1.5 kHz) low frequency (~1 kHz) acoustic waves propagates along multiple paths similar to spatially « fat » geometrical rays. Using a pair of arrays (source/receiver) and the double-beamforming processing to separate acoustic signals coming from different paths and measure their: travel-time (TT), directions-of-arrival (DOA) and directions-of-departure (DOD). Under the hypothesis of small perturbations, TP, DOA and DOD variations are linearly related to sound-speed perturbations in an analytical way. This formulation based on Born's diffraction physics at the first order uses kernel functions called: the time-angle sensitivity kernels (T-A-SK). The T-A-SK model is then combined to classical inversion methods to retrieve sound-speed perturbations from TT, DOA and DOD variations. The methods developed here have been validated on simulated data, and applied on real small-scale data coming from the ultrasonic tank of the ISTerre, Grenoble.