Automated location of seismic events is a very important task in microseismic monitoring operations as well for local and regional seismic monitoring. Since microseismic records are generally characterised by low signal-to-noise ratio, such methods are requested to be noise robust and sufficiently accurate. Most of the standard automated location routines are based on the automated picking, identification and association of the first arrivals of P and S waves and on the minimization of the residuals between theoretical and observed arrival times of the considered seismic phases. Although current methods can accurately pick P onsets, the automatic picking of the S onset is still problematic, especially when the P coda overlaps the S wave onset. In this thesis I developed a picking free automated method based on the Short-Term-Average/Long-Term-Average (STA/LTA) traces at different stations as observed data. I used the STA/LTA of several characteristic functions in order to increase the sensitiveness to the P wave and the S waves. For the P phases we use the STA/LTA traces of the vertical energy function, while for the S phases, we use the STA/LTA traces of the horizontal energy trace and then a more optimized characteristic function which is obtained using the principal component analysis technique. The orientation of the horizontal components can be retrieved by robust and linear approach of waveform comparison between stations within a network using seismic sources outside the network (chapter 2). To locate the seismic event, we scan the space of possible hypocentral locations and origin times, and stack the STA/LTA traces along the theoretical arrival time surface for both P and S phases. Iterating this procedure on a three-dimensional grid we retrieve a multidimensional matrix whose absolute maximum corresponds to the spatial and temporal coordinates of the seismic event. Location uncertainties are then estimated by perturbing the STA/LTA parameters (i.e the length of both long and short time windows) and relocating each event several times. In order to test the location method I firstly applied it to a set of 200 synthetic events. Then we applied it to two different real datasets. A first one related to mining induced microseismicity in a coal mine in the northern Germany (chapter 3). In this case we successfully located 391 microseismic event with magnitude range between 0.5 and 2.0 Ml. To further validate the location method I compared the retrieved locations with those obtained by manual picking procedure. The second dataset consist in a pilot application performed in the Campania-Lucania region (southern Italy) using a 33 stations seismic network (Irpinia Seismic Network) with an aperture of about 150 km (chapter 4). We located 196 crustal earthquakes (depth < 20 km) with magnitude range 1.1 < Ml < 2.7. A subset of these locations were compared with accurate locations retrieved by a manual location procedure based on the use of a double difference technique. In both cases results indicate good agreement with manual locations. Moreover, the waveform stacking location method results noise robust and performs better than classical location methods based on the automatic picking of the P and S waves first arrivals. / Die automatische Lokalisierung seismischer Ereignisse ist eine wichtige Aufgabe, sowohl im Bereich des Mikroseismischen Monitorings im Bergbau und von Untegrund Aktivitäten,  wie auch für die lokale und regionale Überwachung von natürlichen Erdbeben. Da mikroseismische Datensätze häufig ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis haben müssen die Lokalisierungsmethoden robust gegen Rauschsignale und trotzdem hinreichend genau sein. Aufgrund der in der Regel sehr hochfrequent aufgezeichneten Messreihen und der dadurch sehr umfangreichen Datensätze sind automatische Auswertungen erstrebenswert. Solche Methoden benutzen in der Regel automatisch gepickte und  den P und S Phasen zugeordnete Ersteinsätze und Minimieren die Summe der quadratischen Zeitdifferenz zwischen den beobachteten und theoretischen Einsatzzeiten. Obgleich das automatische Picken der P Phase in der Regel sehr genau möglich ist, hat man beim Picken der S Phasen häufig Probleme, z.B. wenn die Coda der P Phase sehr lang ist und in den Bereich der S Phase hineinreicht. In dieser Doktorarbeit wird eine Methode vollautomatische, Wellenform-basierte Lokalisierungsmethode entwickelt, die Funktionen des Verhältnisses "Short Term Average / Long Term Average"  (STA/LTA) verwendet und keine Pickzeiten invertiert. Die STA/LTA charakteristische Funktion wurde für unterschiedliche Wellenform Attribute getestet, um die Empfindlichkeit für P und S Phasen zu erhöhen. Für die P Phase wird die STA/LTA Funktion für die Energie der Vertikalkomponente der Bodenbewegung benutzt, wohingegen für die S Phase entweder die Energie der horizontalen Partikelbewegung oder eine optimierte Funktion auf Basis der Eigenwertzerlegung benutzt wird. Um die Ereignisse zu lokalisieren wird eine Gittersuche über alle möglichen Untergrundlokalisierungen durchgeführt. Für jeden räumlichen und zeitlichen Gitterpunkt werden die charakteristischen Funktionen entlang der theoretischen Einsatzkurve aufsummiert. Als Ergebnis erhält man eine 4-dimensionale Matrix über Ort und Zeit des Ereignisses, deren Maxima die wahrscheinlichsten Lokalisierungen darstellen. Um die Unsicherheiten der Lokalisierung abzuschätzen wurden die Parameter der STA/LTA Funktionen willkürlich verändert und das Ereignis relokalisiert. Die Punktwolke aller möglichen Lokalisierungen gibt ein Maß für die Unsicherheit des Ergebnisses. Die neu entwickelte Methode wurde an einem synthetischen Datensatz von 200 Ereignissen getestet und für zwei beobachtete Datensätze demonstriert. Der erste davon betrifft induzierte Seismizität in einem Kohlebergbau in Norddeutschland. Es wurden 391 Mikrobeben mit Magnituden zwischen Ml 0.5 und 2.0 erfolgreich lokalisiert und durch Vergleich mit manuell ausgewerteten Lokalisierungen verifziert.Der zweite Datensatz stammt von einem Anwednung auf des Regionale Überwachungsnetz in der Region Campania-Lucania (Süditalien)  mit 33 seismischen Stationen und einer Apertur von etwa 150 km. Wir konnten 196 Erdbeben mit Tiefen < 20 km und Magnituden zwischen Ml 1.1 und 2.7 lokalisieren. Eine Untergruppe der eigenen Lokalisierungen wurde mit den Lokalisierungen einer Standard Lokalisierung sowie einer  hochgenauen Relativlokalisierung verglichen. In beiden Fällen ist die Übereinstimmung mit den manuellen Lokalisierungen groß. Außerdem finden wir, dass die Wellenform Summations Lokalisierung ronbust gegen Rauschen ist und bessere Ergebnisse liefert als die Standard Lokalisierung, die auf dem automatischen Picken von Ersteinsatzzeiten alleine basiert.

The work in this thesis concentrates on Katla volcano in southern Iceland. This is one of Europe’s most active volcanoes and its history tells us that it poses many threats to society, both locally (Iceland) and on a broader scale (Europe). Its geological setting is complex, where the effects of a melting anomaly in the mantle and a changing rift geometry, perturb the classical setting of volcanism in a rifting setting. The work has focused on two aspects. The first is the varying distribution of physical properties in the subsurface around the volcano. The second is the distribution of microearthquakes around the volcano. The physical properties that we study are the speeds of seismic waves that reflect variations of temperature, composition and fracturing of the rocks. These can, therefore, help us learn about long-term processes in the volcano. The seismicity gives shorter-term information about deformation associated with current processes. I have applied two tomographic techniques to study Katla’s subsurface to a depth of 5-10 km, namely local-earthquake and ambient-noise tomography. The former makes use of the timing of waves generated by local earthquakes to constrain the earthquakes’ locations and the distribution of wave speed. Here I have concentrated on compressional waves or P waves with a typical frequency content around 10 Hz. With the latter, surface waves are extracted from microseismic noise that is generated far away at sea and their timing is measured to constrain their wave-speed distribution, which then is used to map shear-wave velocity variations. This is done at a typical frequency of 0.3 Hz. I find that the volcano contains rocks of higher velocity than its surroundings, that Katla’s caldera is underlain by low velocities at shallow depth that may be explained by hot or partially molten rocks and that beneath the caldera lies a volume of particularly high velocities that may constitute differentiated cumulates. But, I also find that it is not simple to compare results from such different wave types and discuss a number of complications in that regard. In addition to the well-known microearthquake distribution in the caldera region of Katla and to its west, we have discovered two additional areas of microearthquake activity on the volcano’s flanks, south and east of the caldera. These point to current activity and are, therefore, of interest from a hazard point of view. However, it is difficult to pinpoint their underlying process. Speculation about possible interpretation leads me to hydrothermal processes or small pockets of melt ascending due to their buoyancy or locally enhancing fluid pressure, thereby lowering the effective stress.

This dissertation is a comprehensive summary of four papers on the development and application of new strategies for locating tremor and relocating events in earthquake catalogs. In the first paper, two new strategies for relocating events in a catalog are introduced. The seismicity pattern of an earthquake catalog is often used to delineate seismically active faults. However, the delineation is often hindered by the diffuseness of earthquake locations in the catalog. To reduce the diffuseness and simplify the seismicity pattern, a relocation and a collapsing method are developed and applied. The relocation method uses the catalog event density as an a priori constraint for relocations in a Bayesian inversion. The catalog event density is expressed in terms of the combined probability distribution of all events in the catalog. The collapsing method uses the same catalog density as an attractor for focusing the seismicity in an iterative scheme. These two strategies are applied to an aftershock sequence after a pair of earthquakes which occurred in southwest Iceland, 2008. The seismicity pattern is simplified by application of the methods and the faults of the mainshocks are delineated by the reworked catalog. In the second paper, the spatial distribution of seismicity of the Hengill region, southwest Iceland is analyzed. The relocation and collapsing methods developed in the first paper and a non-linear relocation strategy using empirical traveltime tables are used to process a catalog collected by the Icelandic Meteorological Office. The reworked catalog reproduces details of the spatial distribution of seismicity that independently emerges from relative relocations of a small subset of the catalog events. The processed catalog is then used to estimate the depth to the brittle-ductile transition. The estimates show that in general the northern part of the area, dominated by volcanic processes, has a shallower depth than the southern part, where tectonic deformation predominates. In the third and the fourth papers, two back-projection methods using inter-station cross correlations are proposed for locating tremor sources. For the first method, double correlations, defined as the cross correlations of correlations from two station pairs sharing a common reference station, are back projected. For the second method, the products of correlation envelopes from a group of stations sharing a common reference station are back projected. Back projecting these combinations of correlations, instead of single correlations, suppresses random noise and reduces the strong geometrical signature caused by the station configuration. These two methods are tested with volcanic tremor at Katla volcano, Iceland. The inferred source locations agree with surface observations related to volcanic events which occurred during the tremor period.

Depuis les séismes dévastateurs de 1999 d’Izmit et de Duzce, la partie immergée de la Faille Nord Anatolienne (FNA)en Mer de Marmara fait l’objet d’une intense surveillance. Malgré cela, la micro-sismicité demeure mal connue. Par ailleurs, alors que la connexion avec le système pétrolier du Bassin de Thrace est établie, le rôle du gaz sur la sismicité n’a pas été identifié.Dans ce travail, nous avons analysé des données d’OBS (Ocean Bottom Seismometers) acquises dans la partie ouest de la Mer de Marmara (en avril-juillet 2011 et septembre-novembre 2014), à partir de méthodes non-linéaires –NonLinLocet d’un modèle 3D de vitesses. Une grande partie de la sismicité se produit à des profondeurs inférieures à 6 km environ : le long de failles secondaires, héritées de l’histoire complexe de la FNA ; ou dans des couches de sédiments superficiels (< 1 km) riches en gaz. Cette sismicité superficielle semble être associée à des processus liés au gaz, déclenchés par les séismes profonds de magnitude M1 > 4.5 qui se produisent régulièrement le long de la MMF.Par ailleurs, 2 familles de signaux de courte durée (<1s), dits ≪ SDE ≫ (pour Short Duration Event) apparaissent sur les enregistrements : 1) les SDE se produisant à raison de quelques dizaines de SDE/jour, en réponse à des causes locales (i.e. bioturbation, activité biologique, micro-bullage de fond de mer, mouvements à l’interface eau/sédiment), etc ; 2) lesSDE se produisant par ≪paquets≫, dont certains sont enregistrés sur les 4 composantes (y compris l’hydrophone) et apparaissent de manière périodique, toutes les 1.8 s environ, en réponse à diverses causes qui restent à déterminer (parmi lesquelles : les mammifères marins ; l’activité humaine ; la sismicité ; le dégazage ; les ≪trémors≫ sismiques ; etc). / Since the devastating earthquakes of 1999, east of Istanbul, the submerged section of the North Anatolian Fault (NAF), in the Sea of Marmara (SoM) has been intensively monitored, mainly using land stations. Still, the micro-seismicity remains poorly understood. In addition, although the connection of the SoM with the hydrocarbon gas system from the Thrace Basin is now well established, along with the presence of widespread gas within the sedimentary layers, the role of gas on seismicity is still not recognized.Here, we have analyzed Ocean Bottom Seismometer (OBS) data from two deployments (April-July 2011 and September-November 2014) in the western SoM. Based on a high-resolution, 3D-velocity model, and on non-linear methods (NonLinLoc), our location results show that a large part of the micro-seismicity occurs at shallow depths (< 6 a 8 km): along secondary faults, inherited from the complex history of the North-Anatolian shear zone; or within the uppermost (< 1 km), gas-rich, sediment layers. Part of this ultra-shallow seismicity is likely triggered by the deep earthquakes of intermediate magnitude (Ml > 4.5) that frequently occur along the western segments of the MMF.In addition, OBSs also record at least two families of short duration (<1 sec) events (SDEs): 1) “background SDEs” occurring on a permanent, at a rate of a few tens of SDEs/day, resulting from many possible, local causes, e. g.: degassing from the seafloor, biological activity near the seabed, bioturbation, etc; 2) “swarmed SDEs”, among which some are recorded also on the hydrophone, and characterized by a periodicity of ~ 1.8 seconds. The causes of these SDEs still remain to be determined (among which: anthropogenic causes, marine mammals, gas emissions, regional seismicity, tremors from the MMF, etc).

La localisation de séismes induits ainsi que les mécanismes au foyer associés sont des outils fréquemment utilisés afin, entre autres, d’imager la structure d’un réservoir. Cette thèse présente une technique permettant de quantifier les erreurs associées à ces deux paramètres. Par cette méthode, incertitudes et imprécisions sont distinguées. La méthode a été appliquée aux sites de Soultz et de Rittershoffen pour étudier l’impact de plusieurs critères sur la localisation de la sismicité induite. Ainsi, il a été montré que l’utilisation de capteurs installés profondément dans des puits et qu’une bonne couverture sismique azimutale réduit sérieusement les incertitudes de localisation. Les incertitudes du modèle de vitesse, représentées par une distribution gaussienne des modèles avec un écart de 5% autour du modèle de référence, multiplient les incertitudes de localisation par un facteur 2 à 3. Des simplifications utilisées pour le calcul ou une mauvaise connaissance du milieu peuvent mener à des imprécisions de l’ordre de 10% spatialement non isotropes. Ainsi, les structures du sous-sol peuvent être déformées dans les interprétations. L’application d’un tir de calibration peut néanmoins corriger ce fait en grande partie. L’étude d’erreurs associées aux mécanismes au foyer ne semble cependant pas conduire aux mêmes conclusions. Le biais angulaire peut certes être augmenté par l’omission de la faille dans le modèle de vitesse, mais dans plusieurs cas il est le même que dans le cas idéal voire diminué. En outre, une meilleure couverture sismique améliorerait toujours le mécanisme au foyer obtenu. Ainsi, il n’est pas conseillé d’imager un réservoir en n’utilisant que la localisation de séismes, mais une combinaison de plusieurs paramètres sismiques pourrait s’avérer efficace. La méthode appliquée dans le cadre de cette thèse pourra servir pour d’autres sites à condition d’en avoir une bonne connaissance a priori. / Induced seismicity location and focal mechanisms are commonly used to image the sub-surface designin reservoirs among other tasks. In this Ph.D. the inaccuracies and uncertainties on earthquake location and focal mechanisms are quantified using a three-step method. The technique is applied to the geothermal sites of Soultz and Rittershoffen to investigate the effect of several criteria on thee arthquake location. A good azimuthal seismic coverage and the use of seismic down-hole sensors seriously decrease the location uncertainty. On the contrary, velocity model uncertainties, represented by a 5% Gaussian distribution of the velocity model around the reference model, will multiply location uncertainties by a factor of 2 to 3. An incorrect knowledge of the sub-surface or the simplifications performed before the earthquake location can lead to biases of 10% of the vertical distance separating the source and the stations with a non-isotropic spatial distribution. Hence the sub-surface design maybe distorted in the interpretations. To prevent from that fact, the calibration shot method was proved to be efficient. The study on focal mechanism errors seems to lead to different conclusions. Obviously, the angular bias may be increased by neglecting the fault in the velocity. But, it may also be the same as or even smaller than the bias calculated for the case simulating a perfect knowledge of the medium of propagation. Furthermore a better seismic coverage always leads to smaller angular biases. Hence,it is worth advising to use more than only earthquake location in order to image a reservoir. Other geothermal sites and reservoirs may benefit from the method developed here. / Die korrekte Lokalisierung von induzierter Seismizität und den dazugehörigen Herdflächenlösungensind sehr wichtige Parameter. So werden zum Beispiel die Verteilung der Erdbeben und die Orientierung ihrer Herdflächenlösungen dazu benutzt um in der Tiefe liegende Reservoirs zulokalisieren und abzubilden. In dieser Doktorarbeit wird eine Technik vorgeschlagen um diemethodisch bedingten Fehler zu quantifizieren. Mit dieser Methode werden die verschiedenen Fehlerquellen, die Unsicherheiten und die Fehler im Modell getrennt. Die Technik wird für die geothermischen Felder in Soultz und in Rittershoffen benutzt um den Einfluss verschiedener Parameter (Annahmen) auf die Lokalisierung der induzierten Seismizität zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass Bohrlochseismometer und eine gute azimutale Verteilung der seismischen Stationen die Unbestimmtheiten verkleinern. Die Geschwindigkeitsunbestimmheiten, die durch eine Gauss-Verteilung mit 5% Fehler dargestellt werden, vervielfachen die Lokalisierungsungenauigkeiten um einen Faktor 2 bis 3. Eine ungenaue Kenntnis des Untergrunds oder die verwendete vereinfachte Darstellung der Geschwindigkeitsverhältnisse im Untergrund (notwendig um die synthetischen Rechnungen durchführen zu können) führen zu anisotropen Abweichungen und Fehlern in der Herdtiefe von bis zu 10%. Diese können die Interpretationen des Untergrunds deutlich verfälschen. Ein “calibration shot” kann diese Fehler korrigieren. Leider können die Fehler für die Herdflächenlösungen nicht in derselben Weise korrigiert werden. Es erscheint daher als keine gute Idee, ein Reservoir nur über die Lokalisierung von Erdbeben zu bestimmen. Eine Kombination mehrerer seismischer Methoden scheint angezeigt. Die hier besprochene Methode kann als Grundlage dienen für die Erkundung anderer (geothermischer)