Les méthodes tomographiques habituellement employées en sismologie nécessitent des enregistrements de séisme. Or de larges zones sur Terre sont asismiques : faute de séisme nous ne pouvons les étudier avec une bonne résolution. <br /><br />Nous testons ici une approche radicalement différente : il s'agit d'imager la croute terrestre à partir d'enregistrements de bruit de fond sismique. En effet, la corrélation entre deux points A et B d'un bruit blanc généré en tout point du milieu est la fonction de Green complète du milieu entre A et B. On pourrait ainsi mesurer la vitesse des ondes sismiques entre n'importe quel couple de points de la surface. <br /><br />Nous présentons tout d'abord la théorie formalisant le lien entre corrélation de bruit et fonction de Green. Nous étudions ensuite l'origine du bruit de fond sismique sur la bande de période 5-40s afin de voir si il respecte ou non les exigences de la théorie. Après avoir évalué la précision des mesures de la vitesse des ondes de surface réalisées grace aux corrélations de bruit, nous étudions les Alpes. Enfin nous montrons que nos résultats peuvent etre amélioré en<br />recorrélant les corrélations.

Le Noyau Terrestre: étude sismologique de quelques structures majeures influençant la dynamique terrestre

Dans la région du Chili-central-ouest de l'Argentine (29°S-34°S), la plaque océanique Nazca subducte<br />sous la plaque continentale sud-Américaine. Cette région est une zone de transition entre une<br />subduction plate et une subduction pentue. Au nord de 33°S, où le slab devient plat vers 100 km de<br />profondeur, la ride de Juan Fernandez subducte le long de la plaque océanique Nazca. Alors que dans<br />cette région, le volcanisme quaternaire s'arrête vers 5-7 Ma, au sud de 33°S, où la plaque océanique<br />plonge avec un angle de 30°,la majorité des édifices volcaniques sont actifs. A partir de l'enregistrement<br />de séismes locaux au travers de deux campagnes sismologiques, nous avons réalisé une tomographie des<br />écarts des temps d'arrivée et du paramètre d'atténuation t* = t/Q, afin de déterminer des modèles<br />tridimensionnels d'une part de vitesse et d'autre part d'atténuation des ondes P et S. La plaque subduite,<br />plus froide que le manteau dans lequel elle plonge, est un milieu où les ondes P et S se propagent<br />rapidement et sont faiblement atténuées. L'un des blocs tectoniques constituant la croûte continental<br />(bloc Cuyania) se caractérise par des vitesses rapides des ondes sismiques et une forte atténuation de<br />l'onde S. Sous les édifices volcaniques actifs, la vitesse de ses ondes est plus faible due probablement à la<br />présence de fusion partielle. Les modèles de vitesse des ondes P et S, combinés à un modèle thermique<br />bidimensionnel à 31.5°S déterminé dans cette étude, ont permis d'obtenir un modèle minéralogique de<br />la lithosphère continentale et de la croûte océanique de la plaque Nazca. Cette croûte est composée<br />de Blueschists jusqu'à 80 km de profondeur et d'Eclogite plus profond. De la serpentine est observée<br />dans le coin mantellique considéré comme "froid". Le manteau continental est constitué par un mélange<br />d'Harzburgites et de Lherzolites plus ou moins hydratées. Un faciès éclogite est observé à la base de<br />la croûte continentale. Les modèles d'atténuation ont une résolution spatiale trop faible pour pouvoir<br />améliorer les modèles thermiques et par conséquent les modèles minéralogiques de la zone de subduction<br />plate.

Grâce à une nouvelle méthode de filtrage que nous avons mise au point, nous montrons que l'anomalie de profondeur liée au Superbombement du Pacifique sud est composée de deux branches : la branche sud requiert une composante dynamique alors que la branche nord peut être expliquée par une compensation isostatique. Nous caractérisons également les bombements relatifs aux alignements de type point-chaud de Polynésie française et montrons ainsi que l'origine de la Société est due à l'action d'un panache profond, alors que pour les autres archipels, l'emplacement du volcanisme est essentiellement contrôlé par la structure de la lithosphère. Nous effectuons également une cartographie de l'épaisseur élastique sur l'alignement volcanique des Cook-Australes qui permet de reconstituer l'histoire du chargement de la plaque lithosphérique par plusieurs phases distinctes de volcanisme.

La mesure des dérivées spatiales du champ de pesanteur, ou gradiométrie en gravimétrie, est née au début du XXe siècle avec la balance de torsion d'Eötvös, premier gradiomètre. Utilisée avec succès pour la prospection géophysique, cette technique fut cependant délaissée pour un temps au profit de la gravimétrie, plus facile et moins coûteuse. Cependant, les développements instrumentaux en gradiométrie ont continué, et les gradiomètres actuels permettent la mesure simultanée des gradients de pesanteur dans trois directions indépendantes de l'espace. La gradiométrie en gravimétrie connaît ainsi une renaissance, et l'Agence Spatiale Européenne lancera en 2008 le satellite GOCE, avec à son bord le premier gradiomètre spatial, permettant la cartographie globale de la pesanteur avec une résolution spatiale sans précédent. Cette étude est consacrée au signal de gradiométrie en gravimétrie, de l'acquisition des données à leur interprétation. Plus spécifiquement, dérivant d'un même potentiel, l'accélération de la pesanteur et ses dérivées peuvent être considérées comme des mesures interdépendantes d'une même quantité. Nous avons élaboré une méthode permettant, en exploitant cette redondance, de réduire le bruit dans les données de gradiométrie et, plus efficacement, dans celles de gravimétrie. Nous utilisons également une propriété spécififique des gradients de pesanteur, l'existence d'invariants scalaires combinant les différents gradients, que nous relions à la géométrie des sources à l'origine des anomalies de pesanteur. Nous avons ainsi développé une méthode, complémentaire à la déconvolution d'Euler des données de gravimétrie, qui améliore la localisation de ces sources.

Les techniques actuelles de mesure de pesanteur terrestre, depuis les observations spatiales jusqu'aux mesures ponctuelles en surface, couvrent un large spectre de longueurs d'onde du champ de gravité de la Terre. Ces données acquises permettent non seulement la réalisation de modèles étendus de géoïde, mais aussi une meilleure compréhension des transferts de masse affectant la Terre.<br />Cependant, les couvertures spatiale et spectrale des mesures gravimétriques ne sont pas homogène à la surface de la Terre et certaines régions difficiles d'accès sont quasiment vierges de toute mesure. De plus, la gamme des longueurs d'onde intermédiaires (10/100 km) est mal couverte par la gravimétrie terrestre ou spatiale. La gravimétrie mobile depuis un véhicule terrestre, un bateau ou un avion apparaît donc comme la technique complémentaire capable de pallier les insuffisances des techniques gravimétriques actuelles.<br />C'est dans l'objectif de développer un système de gravimétrie mobile autonome que ce travail a été entrepris. Le système «Limo-G» (LIght MOving Gravimetry system) est un gravimètre vectoriel absolu, composé de trois accéléromètres et d'un système GPS à quatre antennes, embarquable dans toutes sortes de véhicule, fiable, ergonomique et peu onéreux.<br />Un travail métrologique effectué au laboratoire et sur le terrain a permis de concevoir et de tester une méthode d'étalonnage de l'instrument. Puis, une méthode originale de traitement conjoint des données accélérométriques et des données GPS a été développée et testée à partir de simulations issues de données réelles acquises lors d'un levé expérimental en mer. Les résultats de ces simulations indiquent que les performances du système Limo-G permettent de mesurer la pesanteur au milligal. Les améliorations nécessaires pour accroître la précision ont aussi été mises en évidence et validées par simulation.

Nous développons une méthode d'approximation elliptique de la source des séismes qui améliore l'efficacité des inversions cinématiques et dynamiques. Nous l'appliquons au séisme de Tottori (Japon 2000).<br />Une inversion cinématique non-linéaire est d'abord résolue par l'algorithme de voisinage (NA). Elle converge vers une distribution de glissement modélisée par deux ellipses et reproduit très bien les données de mouvement fort. La solution est non unique.<br />Nous étendons la méthode aux inversions dynamiques. La propagation dynamique de la rupture est modélisée en différences finies et la loi de frottement est du type affaiblissement de glissement.<br />Nous réalisons une inversion par essai-erreur pour les modèles d'aspérité et de barrière. Ce dernier permet une implémentation facile et un meilleur accord avec les données observées. Le moment sismique calculé est compatible avec la magnitude du séisme et l'énergie de rupture est proche de celle d'autres études.<br />Nous automatisons l'inversion dynamique pour le modèle de barrière par le NA. Les résultats d'inversion montrent un meilleur accord avec les données et illustrent la non-unicité de la solution dynamique.

CLUSTER est la première mission spatiale permettant l'étude à trois dimensions de la magnétosphère terrestre. Son orbite polaire et sa configuration de quatre satellites en tétraèdre lui permettent d'effectuer des mesures in situ dans plusieurs régions de la magnétosphère, notamment dans la plasmasphère. Cette thèse rassemble une série de travaux sur les structures de plasma rencontrées sur l'orbite de CLUSTER durant la période 2001-2004. La quantité physique étudiée est essentiellement la densité électronique, mais aussi le champ magnétique continu. Dans une première partie, deux outils d'analyse multipoints, le gradient spatial et la méthode des délais, sont décrits, testés et discutés sur des jeux de données synthétiques, puis sur des données réelles, pour diverses situations typiques. Dans le cadre de conditions favorables, ces analyses révèlent le mouvement, l'orientation de frontières, ainsi que les dimensions des structures rencontrées, impossibles à estimer par une mission composée d'un seul satellite. Une seconde partie s'intéresse plus globalement à la plasmasphère, notamment à la topologie et à la dynamique de ses structures de densité à petite et grande échelle. Cette étude s'appuie sur les analyses multipoints vues précédemment, mais elle utilise également des données d'autres instruments de CLUSTER, des images globales de la plasmasphère fournies par la mission IMAGE, ainsi que des résultats d'études statistiques et de simulations numériques. Enfin, la thèse décrit une analyse statistique menée sur un autre jeu de données: les densités de puissance spectrales des ondes électromagnétiques mesurées à basse altitude par le satellite Viking durant l'année 1986.

L'excès de charges négatif à la surface des minéraux argileux ainsi que leur très grande surface spécifique confèrent aux milieux riches en argile des propriétés de transport très favorables pour le stockage des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue. Le principal mécanisme de migration des radionucléides correspond à leur diffusion au sein de la formation argileuse en raison de la très faible conductivité hydraulique du milieu. L'objectif de cette thèse a été de réaliser et de valider par des expériences en laboratoire un modèle de transport mécanistique incluant explicitement les propriétés électrochimiques de l'interface minéral/solution pour des milieux argileux compacts. Nous avons donc réalisé un modèle de transport macroscopique en s'affranchissant de l'hypothèse d'une couche diffuse fine à l'interface minéral/solution. Nous avons aussi développé et validé un modèle de triple couche électrique basé sur des considérations cristallographiques et distinguant les sites de surface silanols, aluminols et SiOAl. Les prédictions du modèle de transport sont en accord avec les valeurs des diffusivités ioniques et hydrauliques déterminées grâce aux mesures des champs électriques liés aux perturbations salines (potentiel de membrane) et hydriques (potentiel d'électrofiltration). La diffusivité du sel augmente en fonction de la force ionique du milieu car elle dépend des variations du potentiel de membrane. Nous avons également réussi à prédire les valeurs des coefficients de diffusion effectifs des traceurs ioniques monovalents en fonction du degré de compaction de la bentonite MX-80 et de la force ionique du milieu.

CE TRAVAIL A LA FOIS METHODOLOGIQUE ET EXPERIMENTAL CONCERNE L'IMAGERIE SISMIQUE DE HAUTE RESOLUTION DE STRUCTURES GEOLOGIQUES ASSOCIEES AUX RISQUES VOLCANIQUE ET SISMIQUE. L'OBJET DE CE TRAVAIL EST DE DEVELOPPER ET APPLIQUER, SUR DES SITES SELECTIONNES, DE NOUVELLES METHODES D'INVESTIGATION SISMIQUE EXPLOITANT LA DENSITE DES CAPTEURS ET LA MOBILITE DES SOURCES SISMIQUE ACTIVES. CE TRAVAIL EST DE PLUS EN ETROITE RELATION AVEC LE RECENT DEVELOPPEMENT DU RESEAU SISMIQUE-SISMOLOGIQUE, IMAGERIE DE HAUTE RESOLUTION. <br />NOTRE TRAVAIL FAIT PARTIE D'UN PROJET DONT L'OBJECTIF EST EN PARTICULIER D'ETUDIER LE VOLCAN DE LA SOUFRIERE DE GUADELOUPE DANS LE BUT DE PREDIRE SON COMPORTEMENT FUTUR. NOUS NOUS SOMMES FOCALISES SUR UNE EXPERIENCE PRELIMINAIRE D'IMAGERIE HAUTE RESOLUTION D'UN EDIFICE VOLCANIQUE SITUE DANS LE CHAINE DES PUYS EN AUVERGNE DANS LE BUT DE PREPARER UNE CAMPAGNE DE PLUS GRANDE ENVERGURE AUX ANTILLES. NOS TRAVAUX APPORTENT DES INFORMATIONS PRIMORDIALES POUR LA MODELISATION DE LA DYNAMIQUE D'UNE ERUPTION ET DONC POUR LA PREVENTION DES RISQUES VOLCANIQUES.<br />NOUS NOUS INTERESSONS PAR AILLEURS A LA CARACTERISATION SISMIQUE DES FAILLES SISMOGENES ET ETUDIONS LA FAILLE NORD-ANATOLIENNE EN TURQUIE. NOUS AVONS MENE UNE CAMPAGNE DE SISMIQUE REFLEXION A TRAVERS CETTE FAILLE. NOS TRAVAUX PRESENTENT DEUX PRINCIPALES APPLICATIONS, LA CONTRAINTE DES MODELES DE RUPTURE DE FAILLE ET L'EVALUATION DU RISQUE SISMIQUE ACCRU DANS LES ZONES DE FAILLE.<br />CE TRAVAIL NOVATEUR CONFIRME LA PUISSANCE DE LA SISMOLOGIE ACTIVE BASEE SUR L'UTILISATION DE RESEAUX DENSES DE CAPTEURS ET DE SOURCES. CE TRAVAIL CONSTITUE UN APPORT CRUCIAL POUR L'EVALUATION DES RISQUES VOLCANIQUE ET SISMIQUE.