Les propriétés magnétiques interviennent dans deux méthodes de prospection : la méthode magnétique où l'on mesure les variations spatiales du champ magnétique terrestre et le méthode électromagnétique basse fréquence où l'on émet un champ artificiel et où l'on mesure la réaction du sol à ce champ.<br />La thèse présentée ici propose une méthode d'interprétation simultanée des données de ces deux types de méthode. Une telle démarche peut en effet permettre de caractériser les différents types d'aimantations affectant le proche sous-sol et de mieux évaluer la profondeur et la géométrie des sources magnétiques.<br />Une vaste prospection magnétique réalisée sur le site hellénistique d'Apamée de l'Euphrate montre l'intérêt de la prospection dans le contexte d'une fouille d'urgence et l'intérêt qu'il y a à affiner l'interprétation des données magnétiques.<br />Le premier chapitre présente une synthèse concernant l'étude des propriétés magnétiques des sols sur échantillons. Ces propriétés permettent de caractériser les comportements des horizons superficiels et d'en étudier les processus pédologiques et anthropiques. Les prospections magnétique et électromagnétique permettent de cartographier ces propriétés magnétiques, cartographies qui peuvent être complétées par des études sur échantillons.<br />Il existe de nombreux appareils électromagnétiques permettant de mesurer la susceptibilité magnétique apparente mais leurs performances, particulièrement en termes de profondeurs d'investigation, sont très variables. Une étude théorique et expérimentale réalisée sur un site test montre que l'écartement et l'orientation des bobines choisis pour le CS150 en font l'appareil possédant la meilleure profondeur d'investigation, de l'ordre de 1 m, et pour lequel la conductivité du terrain n'a qu'une très faible influence sur la réponse en phase.<br />L'interprétation conjointe des données magnétique et électromagnétique est basée sur le filtrage linéaire des données électromagnétiques qui permet de restituer l'anomalie magnétique due à l'aimantation induite. L'étude théorique montre que le principal écart observé entre les données magnétique brute et électromagnétique filtrée vient de la différence de profondeur d'investigation entre les appareils.<br />Enfin, des essais expérimentaux sur des sites archéologiques ont permis dans un cas, de dissocier l'aimantation rémanente de l'aimantation induite et de calculer la profondeur de la source magnétique et dans l'autre cas, de dissocier l'aimantation visqueuse de l'aimantation induite et là aussi de calculer la profondeur de la source magnétique.

Sur la Cordillère Royale en Bolivie, nous avons reconstitué les bilans de masse de 21 glaciers représentatifs, par photogrammétrie numérique. Les MNT's ont été construit à partir des clichés aériens de l'IGM-Bolivie de 1956, 1963, 1975, 1983, 1997 et 2006, avec une précision décimétrique ou métrique.<br />L'analyse des résultats sur le glacier du Zongo montre qu'un tiers de la surface du glacier (zone d'ablation) contrôle 80% du bilan de masse annuel. La série du Zongo constitue la série de bilan de masse glaciaire la plus longue et la plus précise des Andes tropicales.<br />Nous avons analysé les bilans de masse des 21 glaciers depuis 1956, lorsqu'on s'affranchit des tendances de ces glaciers, les variations temporelles du bilan de masse montrent un signal commun d'origine climatique.<br />Nous avons montré ainsi que 88% de la variance des bilans cumulés sont expliqués par l'exposition et l'altitude. Cette corrélation et les restitutions photogrammétriques ont permis de calculer les bilans de masse et la perte de surfaces de 376 glaciers au cours de la période 1963-2006 (43% de perte de leur volume et 48% de perte de leur surface depuis 1975).<br />Enfin, notre étude évalue la contribution des glaciers au système d'alimentation en eau potable de la ville de La Paz. En moyenne sur la période 1975-2006, la fonte glaciaire a contribué à hauteur de 18% et 15% sur la période récente 1997-2006 (12% en saison humide et 27% en saison sèche). Nous avons enfin calculé les débits attendus en cas de disparition totale des glaciers (12% en moins à l'année, 9% en moins en saison humide et 25% en moins en saison sèche).

L'évolution des contraintes en profondeur, sur les systèmes actifs, est de nos jours mal connue. Il est cependant important de comprendre et d'identifier ces phénomènes de transfert de contrainte car ils sont à la base du déclenchement des séismes et des éruptions volcaniques. Diverses approches permettant de retrouver la variation de contrainte dans différents contextes sont abordées. La sismicité est utilisée comme observable dans chacun de ces problèmes.<br>Après avoir exposé les mécanismes générateurs de sismicité dans un contexte général, une méthode d'inversion de contrainte basée sur les équations du modèle de frottement rate-and-state est présentée.<br>Dans un deuxième temps, la variation de contrainte produite par une rupture pluri-décakilométrique est analysée. Cette analyse a permis de caractériser les changements de contrainte co- et post-sismique produits par le séisme de 2004 à Parkfield (Mw = 6.0), sur des aspérités sismiques avec une résolution encore jamais atteinte (de l'ordre de la dizaine de mètres). Il ressort en particulier que la variation de contrainte produite par ce séisme sur son plan de rupture est très hétérogène. En outre, il résulte de cette hétérogénéité que la loi d'Omori décrivant l'évolution temporelle des répliques ne correspond qu'à un comportement moyen de l'ensemble des aspérités sur une faille, chaque aspérité suivant quant à elle une dynamique quasi-déterministe.<br>L'étude de la variation de contrainte produite par le remplissage d'un réservoir magmatique a également été réalisée. Sur trois volcans basaltiques (Kilauea et Mauna Loa, à Hawaii et Piton de la Fournaise sur l'île de la Réunion), l'évolution de la sismicité et de la déformation résultant d'une accumulation de magma en profondeur est décrite. Cette description permet alors l'identification d'un processus magmatique à partir des signaux induits en surface, en particulier à partir du taux de sismicité.<br>Dans un dernier temps, le rôle de la sismicité dans son propre déclenchement est évalué. Une méthodologie ne reposant que sur deux hypothèses simples (linéarité et approche champ moyen) est proposée. Cette méthode est capable de recouvrir la part de la sismicité qui ne résulte pas d'interactions entre séismes. Finalement, plusieurs extensions de cette méthode, dans le cas où le chargement est non-stationnaire, sont décrites pour retrouver la signature de transitoires asismiques.

Prédire les mouvements du sol "en aveugle", c'est-à-dire générés par un séisme futur, est essentiel pour anticiper les dommages causés aux bâtiments. Cette thèse propose deux nouvelles approches, fondées sur la technique des fonctions de Green empiriques (FGE), pour calculer le mouvement sismique dans un milieu complexe, sur une large gamme de fréquences, et à partir d'un processus de rupture sur la faille réaliste. La première méthode utilise une représentation simple de la source (modèle de "crack"). Dans la seconde, la rupture est décrite par un modèle cinématique complexe en "k-2". De plus, afin de calculer le mouvement sismique basse fréquence, les FGE bruitées en dessous de 1 Hz sont remplacées par des simulations numériques par éléments spectraux 3D.<br />La difficulté principale pour simuler "en aveugle" est le choix des paramètres de la source (chute de contrainte, point de nucléation,...), mal contraints, et qu'il faudra pourtant estimer a priori. Ce choix contrôle le niveau médian et la variabilité du mouvement sismique. La première solution testée consiste à déterminer directement les lois de distribution de ces paramètres à partir des résultats issus de l'inversion cinématique. Afin de garantir que les niveaux simulés sont réalistes, nous proposons dans un second temps de calibrer les simulations par FGE en un site de référence au rocher en utilisant un modèle de prédiction empirique.<br />Les différentes méthodes sont appliquées pour simuler dans le bassin grenoblois un séisme de magnitude 5.5 à 15 km. La comparaison aux normes EC8 montre que les spectres réglementaires sont dépassés en certains points du bassin sédimentaire, à 0.3 Hz et autour de 0.2 Hz.

Le bruit de fond est une vibration mécanique de faible amplitude générée par l'activité naturelle et humaine. Cette vibration, en sollicitant les structures de génie civil, permet d'étudier leur comportement dynamique.<br />L'objectif de ce travail de thèse a été de comparer les caractéristiques dynamiques issues de mesures de bruit de fond à des caractéristiques issues de sollicitations de plus fortes amplitudes (e.g. séismes). Cette étude nous a permis de valider la pertinence de cette méthode. Nous avons montré en particulier que les résultats sous bruit de fond peuvent être extrapolés aux résultats sous séismes.<br />Cette méthode a ensuite été appliquée pour tenter d'identifier l'endommagement de structures ayant subi des séismes. Après une première application en laboratoire sur des éléments de structure (poteaux, poutres) subissant un endommagement contrôlé, nous l'avons appliquée à des bâtiments endommagés par le séisme de Boumerdes en Algérie (21/05/2003, Mw 6.8).<br />Enfin, des bâtiments grenoblois et niçois ont été testés par cette méthode. La corrélation de deux paramètres dynamiques essentiels (fréquence et amortissement) a été étudiée pour connaître l'origine de l'amortissement mesuré par cette méthode.<br />Ces résultats montrent que cette méthode est efficace et applicable aux structures de génie civil pour la caractérisation dynamique et l'aide au diagnostic sismique.

L'évaluation de la stabilité des falaises est complexe, du fait de l'incertitude des mécanismes de rupture et de la méconnaissance de l'état de fracturation interne du massif. Les méthodes géophysiques permettent d'obtenir de l'information sur la structure interne du massif. Le radar géologique a montré son efficacité pour détecter et caractériser les fractures. Plusieurs profils radar (réflexion, transmission, CMP) sont testés sur deux falaises verticales calcaires proches de Grenoble. La combinaison de profils verticaux et horizontaux permet de mieux contraindre la géométrie 3D du réseau de fractures. Les analyses de vitesses radar, déduites des acquisitions CMP, permettent de caractériser directement les larges fractures ouverture en profondeur. La tomographie radar fournit une image 2D de l'intérieur du massif, mais avec une trop faible résolution. Dans une gamme de fréquences donnée, la détection de fractures par le radar va dépendre de l'ouverture et du remplissage, qui contrôlent le coefficient de réflexion. Une stratégie de caractérisation des fractures est proposée en utilisant la sensibilité fréquentielle de la réflectivité. L'inversion des coefficients de réflexion radar, basée sur un algorithme de voisinage, permet de retrouver les paramètres caractéristiques des fractures modélisées. La méthode du rapport spectral entre un signal réfléchi (mesuré) et un signal de référence (connu), permet de calculer facilement le coefficient de réflexion. Une étude numérique 2D (FDTD) est menée pour le choix du signal de référence. L'inversion des coefficients de réflexion radar synthétiques est testée pour une configuration de fracture ouverte rencontrée sur le terrain.

La propagation d'ondes sismiques dans les milieux poreux contenant des fluides engendre des phénomènes<br />électromagnétiques dus à des couplages électrocinétiques à l'échelle des pores. Ces effets sont perçus comme une<br />nouvelle méthode de caractérisation des milieux poreux avec des applications potentiellement importantes en<br />géophysique de réservoir. Afin de mieux comprendre les mécanismes de conversion d'énergie sismique en<br />énergie électromagnétique, nous avons construit une expérience analogique dans le Laboratoire Souterrain à Bas<br />Bruit (LSBB, Rustrel). Le dispositif expérimental est constitué d'une colonne cylindrique (1 m de haut et 8 cm de<br />diamètre) remplie de sable de Fontainebleau et équipée d'accéléromètres piézoélectriques, d'électrodes non<br />polarisables et de magnétomètres à induction. La comparaison des réponses sismo-électromagnétiques en milieu<br />sec ou humide permet de confirmer l'origine électrocinétique des phénomènes observés. Les différences de<br />vitesse apparente des champs sismique et électrique (1250 m/s) d'une part, et magnétique (800 m/s) d'autre part,<br />montrent que le champ sismo-magnétique est couplé aux modes de propagation transverses. Cette étude<br />s'enrichit par ailleurs d'une série d'observations du champ sismo-électrique qui soulignent l'intérêt de telles<br />mesures sur le terrain. Ce travail montre également la nécessité de poursuivre le développement de la théorie des<br />effets électrocinétiques en milieu partiellement saturé.

Le gisement de gaz de Lacq est exploité depuis 1957 et la sismicité induite a débuté en 1969. De magnitude modérée (M <= 4.4), cette sismicité est induite par l'extraction des fluides. Après nettoyage de la base de données disponible (1989-1997), un Pointé Automatique dont les paramètres sont optimisés par Recuit Simulé a permis la mise à jour de la base de données. Ajoutés aux données pointées entre 1974 et 1988 et grâce à un modèle de vitesse 3D, plus 1600 évènements ont été localisés, la plupart dans et au dessus du réservoir. La confrontation des localisations des hypocentres et des mécanismes aux foyers avec des informations apportées par les forages et la sismique 3D a permis de localiser les différents essaims de séismes au niveau de failles relativement importantes et orientées préférentiellement pour accommoder la perturbation de contrainte. Alors que le gisement présente une orientation WNW-ESE, la sismicité est localisée selon<br />un axe préférentiel SSW-NNE sur les failles principales d'orientation WNW-ESE. Les zones WNW et ESE du gisement sont quant à elles déformées de manière asismique, comme le montre les profils de nivellement. La confrontation de la sismicité avec l'historique et le modèle de réservoir a permis de mettre en avant (i) un essaim déclenché par une injection d'eau involontaire, (ii) une connexion importante entre le centre du réservoir et les réserves de gaz au nord-est et la déplétion associée, (ii) ainsi qu'une réinterprétation du modèle de réservoir dans certaines zones mal connues. La seconde voie d'étude a été portée sur l'analyse des formes d'ondes par décomposition atomique en chirplets, généralisation de la transformée en ondelettes et de la transformée de Gabor. Après une généralisation à 7D des paramètres de construction des chirplets pour une adaptation aux ondes sismologiques et l'utilisation d'algorithme de séparation d'ondes, il a été possible de décomposer les sismogrammes en un nombre limité d'atomes. Chacun des atomes est qualifié de 9-tuplet, caractérisé par des attributs morphologiques : (i) un temps d'arrivée, (ii) un fréquence centrale, (iii) une énergie, (iv) une phase, (v) une durée, (vi) un taux de modulation de fréquence, (vii) un type de modulation de fréquence, (viii) une asymétrie d'enveloppe et (ix) une plateau constant de l'enveloppe. Grâce à cette caractérisation poussée des ondes, il a été possible de pratiquer des classifications des sismogrammes. La classification et la représentation en dendrogramme ont montré une différenciation nette entre les séismes déclenchés par surpression de fluide des autres, révélant que la source des évènements déclenchés est plus courte et impulsive. En se basant uniquement sur les attributs morphologiques et en filtrant la composante de temps et fréquence des arrivées des ondes, nous avons montré qu'il était possible de comparer des séismes de localisations différentes.

Simuler les mouvements du sol produits par un séisme est une étape essentielle pour évaluer l'aléa sismique d'une région. L'objectif de cette étude est de fournir un code simple d'utilisation permettant de simuler de manière efficace les mouvements du sol. <br /><br />Pour s'affranchir de la connaissance du milieu de propagation, nous utilisons la technique des fonctions de Green empiriques. Les mouvements du sol sont alors reconstruits par la sommation des enregistrements de plusieurs petits séismes décalés dans le temps de manière à reconstituer le processus de rupture du gros séisme. La principale problématique de cette étude est la mise en place d'un schéma de sommation efficace permettant de générer des accélérogrammes réalistes dans le domaine temporel et en bon accord avec les lois d'échelles (loi de similitude et modèle en w-2) dans le domaine fréquentiel.<br /><br />Grâce à l'intégration de méthodes statistiques, nous évitons les problèmes majeurs rencontrés classiquement dans ce type d'étude. Nous aboutissons finalement à deux nouvelles méthodes de simulations: une méthode purement stochastique nécessitant la connaissance de seulement deux paramètres concernant le séisme cible (moment sismique et chute de contrainte) et une méthode stochasto-cinématique permettant de reproduire certaines propriétés cinématiques de la rupture sismique sur le plan de faille.<br /><br />Ces deux méthodes sont testées avec succès sur des données réelles (Mexique et Italie). La méthode stochastique est ensuite appliquée pour simuler les mouvements du sol susceptibles d'être produits par deux séismes de magnitude modérée dans la région niçoise: un séisme de magnitude 5.7 à terre (10 km au nord de Nice) et un séisme de magnitude 6.3 en mer (25 km au sud de Nice). Ces simulations mettent en évidence trois points importants: (1) les forts effets d'amplifications sur certains sites à Nice, (2) l'importance des mouvements du sol susceptibles d'être produits par un séisme de magnitude 5.7 à terre et (3) le rôle majeur joué par la valeur de la chute de contrainte du séisme potentiel.

Afin d'étudier la dynamique du noyau terrestre, nous reconstruisons les mouvements à la surface du noyau liquide compatibles avec les observations du champ magnétique. La similitude des mouvements obtenus par deux méthodes indépendantes et les résultats de tests synthétiques confirment la pertinence de ces reconstructions. Deux types d'observations sont utilisées : des observations terrestres couvrant la période 1590-1990 et des observations satellitaires haute-résolution récentes. Une série temporelle des mouvements<br />historiques et un modèle détaillé des mouvements actuels sont obtenus. L'estimation des marges d'erreurs associées permet d'identifier les structures fiables. Nos reconstructions sont en accord avec différents phénomènes mis en évidence par des modélisations 3D du noyau. Nous montrons aussi que les jerks géomagnétiques ont une signature dynamique très nette. Enfin, nous posons les bases d'une méthode d'assimilation variationnelle de données adaptée à l'étude du noyau.