Le géoradar (Ground Penetrating Radar (GPR)) constitue une technique de contrôle non destructif (CND) intéressante pour la mesure des épaisseurs des dalles de béton et la caractérisation des fractures, en raison de ses caractéristiques de résolution et de profondeur de pénétration. Les équipements géoradar sont de plus en plus faciles à utiliser et les logiciels d'interprétation sont en train de devenir plus aisément accessibles. Cependant, il est ressorti dans plusieurs conférences et ateliers sur l'application du géoradar en génie civil qu'il fallait poursuivre les recherches, en particulier sur la modélisation et les techniques de mesure des propriétés électriques du béton. En obtenant de meilleures informations sur les propriétés électriques du béton aux fréquences du géoradar, l'instrumentation et les techniques d'interprétation pourraient être perfectionnées plus efficacement. Le modèle de Jonscher est un modèle qui a montré son efficacité dans le domaine géophysique. Pour la première fois, son utilisation dans le domaine génie civil est présentée. Dans un premier temps, nous avons validé l'application du modèle de Jonscher pour la caractérisation de la permittivité diélectrique du béton. Les résultats ont montré clairement que ce modèle est capable de reproduire fidèlement la variation de la permittivité de différents types de béton sur la bande de fréquence géoradar (100 MHz-2 GHz). Dans un deuxième temps, nous avons montré l'intérêt du modèle de Jonscher en le comparant à d'autres modèles (Debye et Debye-étendu) déjà utilisés dans le domaine génie civil. Nous avons montré aussi comment le modèle de Jonscher peut présenter une aide à la prédiction de l'efficacité de blindage et à l'interprétation des ondes de la technique GPR. Il a été déterminé que le modèle de Jonscher permet de donner une bonne présentation de la variation de la permittivité du béton dans la gamme de fréquence géoradar considérée. De plus, cette modélisation est valable pour différents types de béton et à différentes teneurs en eau. Dans une dernière partie, nous avons présenté l'utilisation du modèle de Jonscher pour l'estimation de l'épaisseur d'une dalle de béton par la technique GPR dans le domaine fréquentiel.

Le géoradar est une technique couramment utilisée pour prospecter le proche sous-sol. Des ondes électromagnétiques à hautes fréquences (>10 MHz) sont émises dans le sol et les échos enregistrés traduisent les contrastes de permittivité diélectrique entre les différents milieux. Cela permet d'imager les changements de lithologie, des états de fracturation différents, des variations de teneur en eau... Dans ces milieux diélectriques, l'onde perturbe les distributions de charges électriques liées et induit une polarisation qui à son tour influe sur l'onde et déforme le signal. En accord avec les mesures sur échantillons, nous utilisons une loi puissance de la susceptibilité électrique en fonction de la fréquence pour caractériser cette dispersion.<br />Avec une telle sensibilité aux différents matériaux et une résolution allant de quelques centimètres à<br />plusieurs décimètres, le traitement des données requiert la prise en compte de la forte hétérogénéité des milieux étudiés. C'est pourquoi nous avons développé un algorithme de modélisation par différences finies en domaine temporel et généralisé l'emploi d'une convolution récursive pour les milieux dispersifs. Nous avons également implémenté d'une façon originale des conditions limites de type "perfect match layer".<br />L'analyse des coefficients de réflexion nous a permis de valider l'hypothèse qu'une faible variation de<br />la teneur en eau pouvait expliquer la présence des réflecteurs à l'intérieur d'une dune de sable. Nous avons aussi exploité le contenu fréquentiel des signaux en calculant les rapports spectraux entre des signaux réfléchis à différents offsets pour estimer la permittivité diélectrique. Ces valeurs des paramètres et la prise en compte des variations de la teneur en eau servent ensuite à modéliser des situations réalistes.<br />En dernier lieu, nous avons utilisé avec succès le même code de différences finies, en renversant le temps, pour rétro-propager le champ enregistré.

Acquérir des informations sur les forts séismes passés est crucial pour anticiper les caractéristiques des forts séismes futurs. Une partie des traces laissées par les forts séismes passés sont enfouies dans les premiers mètres du sol et sont en général révélées par des tranchées de quelques mètres de profondeur ouvertes à travers les failles sismogènes. Bien que pertinente, cette méthode est destructive. L'objectif a été de développer une nouvelle forme de paléosismologie, non destructive, basée sur l'imagerie géoradar pseudo 3D, capable de retrouver ces traces enfouies des séismes passés. Dans ce travail, cinq sites d’étude sont présentés, situés le long de failles actives décrochantes de Nouvelle Zélande. Notre nouvelle approche débute, dans un premier temps, par l’analyse ‘classique’ de la morphologie de surface à partir de données LiDAR et de MNT GPS haute résolution. Ceci nous permet d’identifier l'ensemble des marqueurs morphologiques préservés à la surface et les déplacements horizontaux qu’ils ont enregistrés. Dans un second temps, l’analyse des profils GPR pseudo-3D acquis en chacun des sites révèlent des réflecteurs principaux dans les premiers 5-10 m du sol recoupés par un grand nombre de marqueurs morphologiques, partiellement ou totalement invisibles en surface. La plupart de ces marqueurs enfouis sont coupés et décalés par la faille considérée. Les mesures de ces décalages fournissent des collections denses de déplacements cumulés sur chacune des failles investiguées avec généralement un nombre de mesures effectués en sub-surface 10 à 20 fois plus important qu’en surface et couvrant une plus large gamme de valeurs. L’application sur la faille de Hope de cette approche a notamment permis de mettre en évidence un déplacement latéral caractéristique de 3.2 ± 1 m lors des 30-35 derniers forts séismes. Ce travail démontre le potentiel de l'imagerie géoradar pseudo-3D à détecter une partie de l'histoire sismique des failles et, ce faisant, à fournir des informations sur les caractéristiques des forts séismes passés. / Collecting information on past strong earthquakes is crucial to anticipate the characteristics of the future strong earthquakes that threaten us. A part of the traces left by the past earthquakes remains hidden in the first few meters of the ground. Until now, paleoseismological trenches across faults have been used to search for these traces. Though relevant, this method is destructive and allows, at best, detecting the few most recent events. The objective of my PhD work, done in the framework of the ANR project CENTURISK, was to develop a novel form of paleoseismology, of geophysical type, based on multi-frequency, pseudo-3D GPR surveys. The idea is to image at high-resolution the architecture of the first ≈ 10 m of the ground over wide areas along active faults, in order to detect the possibly buried traces, especially the offsets, produced by the last 10-20 strong earthquakes on the fault. We have first developed the approach by adapting the acquisition and processing of GPR data to the selected targets. We have then applied the approach on some of the largest active strike-slip faults in New Zealand, where sedimentation conditions are ideal. Twelve sites were investigated, 5 of them are presented in this work. At each site, we first analyzed the surface morphology in the greatest detail on LiDAR data and high resolution GPS DEMs. This analysis allowed us to identify all the morphological markers preserved at the ground surface, and being offset by the fault. We measured these surface offsets, doing so collecting a dense population of cumulative displacement values. We then surveyed each site with 40-60, 100 and 250 MHz, hundreds of meters long GPR profiles, parallel to the fault and regularly spaced by 5-10 m on either side of the fault trace. At each site, the processing of the GPR data revealed a large number of buried markers – palaeosurfaces and incision features, hidden in the first 5-10 m of the ground. Most of the buried markers were observed cut and laterally displaced by the fault, and these offsets could be measured. The measures provide a dense collection of cumulative offsets on each investigated fault, generally 10-20 times more than ever reported. To analyze these dense surface and sub-surface data collections, we used statistical methods made to define and retain only the best constrained offset values. These best values are separated by slip increments that are directly related to the successive coseismic slips that we search. The entire analysis revealed that the offsets measured in the sub-surface fill the gaps in the surface record, and that the surface offsets are systematically lower than those measured in the sub-surface on the same markers. Additionally, the buried record is longer than the surface record. Applied to the Hope Fault, our novel approach allowed identifying the last 30-35 strong earthquakes that broke the fault, each had produced a lateral offset at surface of 3.2 ± 1 m and got a magnitude ≈ Mw 7.0-7.4. Applied to the Wellington Fault (at Te Marua site), the approach allowed identifying a minimum of 15 past strong earthquakes, each had produced a lateral offset at surface of 3.7 ± 1.7 m and got a magnitude ≈ Mw 6.9-7.6. My PhD work thus confirms the great potential of pseudo-3D Ground Penetrating Radar survey to detect a significant part of the fault seismic history, and thus to provide critical information to determine the displacements and magnitudes of the past strong earthquakes on faults. Applied to seismogenic faults worldwide, in complement to surface approaches, the geophysical GPR paleoseismology should help better assessing seismic hazard.

L’objectif de la thèse est d’améliorer les différents traitements et de proposer une visualisation claire et intuitive à l’opérateur des données en sortie d’un géoradar (radargramme) afin de pouvoir localiser de manière précise les réseaux de canalisations enfouis. Notamment, nous souhaitons mettre en évidence les hyperboles présentes dans les radargrammes car celles-ci sont caractéristiques de la présence d'une canalisation. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés à la suppression de l’information inutile (clutter) pouvant gêner la détection des hyperboles. Nous avons ainsi proposé une méthode de filtrage du clutter et du bruit des radargrammes. Ensuite, nous avons travaillé sur l’élaboration d’une méthode permettant de détecter automatiquement les hyperboles dans un radargramme ainsi qu’une estimation de sa fonction mathématique dans des conditions quasi-temps réel. Et enfin nous avons également proposé une méthode de séparation de source permettant de distinguer le clutter et le signal utile du radargramme tout en ayant un impact minimal sur les hyperboles. Ces derniers travaux ouvrent d’autres possibilités pour le filtrage, le rehaussement ou la détection automatique d’hyperboles. / The thesis objective is to improve the different processing in order to make the data acquired by ground penetrating radar (B-scan) more understandable for the operators. Consequently, it will facilitate the pipe localisation. More particularly, we wish to highlight the hyperbolas in the B-scan because they point out the presence of a pipe. First of all, we are interested in removing all the useless information which might hide the hyperbolas. We proposed a filtering method removing unwanted reflections and noise. Then, we worked on an automatic hyperbola detection method and an estimation of their mathematical functions in quasi real time. Finally, we proposed a source separation method to distinguish the unwanted reflections from the hyperbolas with a minimal impact on them. This last work opens interesting perspectives in filtering, hyperbolas enhancement and hyperbola detection.

Nos travaux de recherche ont pour objectif de résoudre le problème de la géodétection des réseaux enterrés. Plusieurs méthodes sont utilisées actuellement mais présentent des limites dues à la nature du sol, aux matériaux des canalisations et au produit transporté. Notre objectif est de proposer une nouvelle approche basée sur la fusion de quatre méthodes de détection et sur la récolte de plusieurs informations qui seront représentées sous forme de connaissances et permettront de raisonner à différents niveaux d’abstraction, pour détecter avec un niveau de confiance, les canalisations enterrées indépendamment de leur matériau, du produit qu’elles transportent et du sol dans lequel elles sont enterrées / Our work aims to solve the problem of reliable detection of underground networks by optimization of the existing methods. Four methods are planned to identify the underground pipelines but they have limits and depend on many factors. Our investigation aims to solve the problem of reliable detection of underground networks by aggregation of the existing methods and reasoning at different abstraction levels. For that purpose, we must be able to provide an accurate geo-detection of underground networks regardless of their material, their function or the soil in which they are buried. The information collected in the field or soil by these detection methods will be merged in order to achieve and obtain an accurate and reliable single result of geo-detection. For that, we need to check independently these distinct methods and then to aggregate the information/data they provide. Besides, the first step will consists of the representation of this information into symbolic knowledge. The second step is to overcome the limitations of current methods to provide a reliable and expressive reasoning system

Les éboulements de terrain posent des problèmes importants pour la gestion des risques, à cause de leur soudaineté et de l'absence de signe précurseur. La détection d'un compartiment instable, l'évaluation de sa stabilité ainsi que la compréhension de la dynamique de sa propagation sont des éléments majeurs dans l'évaluation de l'aléa d'éboulement. En premier lieu, le géoradar a permis de mieux contraindre la géométrie 3D du réseau de fracture. Une stratégie d'inversion des caractéristiques des fractures (épaisseur et remplissage), basée sur la sensibilité fréquentielle et angulaire des réflexions des ondes électromagnétiques avec une approche de couche mince a été développé et appliqué de façon convaincante sur des données réelles acquises sur deux sites différents.<br /><br />La seconde partie est consacrée à l'exploitation des signaux sismiques enregistrés lors de douze éboulements différents. Une nouvelle échelle de magnitude a été définie, qui a permis de classer les différents événements. Aucune relation n'a été trouvée entre les paramètres géométriques (et l'énergie potentielle dérivée) et la magnitude. Par contre la durée du signal montre une bonne corrélation avec l'énergie potentielle. L'analyse détaillée des signaux suggère l'existence d'au moins deux sources sismiques, une correspondant à la rupture associée au rebond élastique induit par le détachement de la masse rocheuse et une autre générée par l'impact de la masse sur la pente, dont l'aspect fréquentiel a été confirmé par une analyse numérique 2D par la méthode des éléments finis.

Acquérir des informations sur les forts séismes passés est crucial pour anticiper les caractéristiques des forts séismes futurs. Une partie des traces laissées par les forts séismes passés sont enfouies dans les premiers mètres du sol et sont en général révélées par des tranchées de quelques mètres de profondeur ouvertes à travers les failles sismogènes. Bien que pertinente, cette méthode est destructive. L'objectif a été de développer une nouvelle forme de paléosismologie, non destructive, basée sur l'imagerie géoradar pseudo 3D, capable de retrouver ces traces enfouies des séismes passés. Dans ce travail, cinq sites d'étude sont présentés, situés le long de failles actives décrochantes de Nouvelle Zélande. Notre nouvelle approche débute, dans un premier temps, par l'analyse 'classique' de la morphologie de surface à partir de données LiDAR et de MNT GPS haute résolution. Ceci nous permet d'identifier l'ensemble des marqueurs morphologiques préservés à la surface et les déplacements horizontaux qu'ils ont enregistrés. Dans un second temps, l'analyse des profils GPR pseudo-3D acquis en chacun des sites révèlent des réflecteurs principaux dans les premiers 5-10 m du sol recoupés par un grand nombre de marqueurs morphologiques, partiellement ou totalement invisibles en surface. La plupart de ces marqueurs enfouis sont coupés et décalés par la faille considérée. Les mesures de ces décalages fournissent des collections denses de déplacements cumulés sur chacune des failles investiguées avec généralement un nombre de mesures effectués en sub-surface 10 à 20 fois plus important qu'en surface et couvrant une plus large gamme de valeurs. L'application sur la faille de Hope de cette approche a notamment permis de mettre en évidence un déplacement latéral caractéristique de 3.2 ± 1 m lors des 30-35 derniers forts séismes. Ce travail démontre le potentiel de l'imagerie géoradar pseudo-3D à détecter une partie de l'histoire sismique des failles et, ce faisant, à fournir des informations sur les caractéristiques des forts séismes passés.

Le géoradar est une méthode électromagnétique haute fréquence (>10 MHz) utilisé pour caractériser les premiers mètres du sous-sol. Lors de la présence d'une topographie, les données géoradar sont déformées en conséquence. Afin de retrouver la vraie géométrie des réflecteurs, nous avons codés un algorithme de migration prenant en compte la topographie. La méthode est démontrée grâce à un modèle synthétique simple, puis testée avec succès sur des données réelles. Les algorithmes de migration apportent cependant du bruit dans les données. Pour pallier à ce problème, deux méthodes ont été mises en place : la première, inhérente à la migration, permet de réduire l'aliasing dit sur l'opérateur. La deuxième est un filtre ré-interpolant les traces en se basant sur un profil de pendage. Les deux méthodes suppriment un bruit incohérent des données mais dégradent les profils lorsqu'utilisées abusivement. Dans un deuxième chapitre, nous avons appliqués avec succès le géoradar dans un contexte de paléo-sismologie en Mongolie. L'utilisation conjointe de deux fréquences (50 et 500 MHz) ainsi que des comparaisons avec des tranchées a permis d'obtenir des informations complémentaires sur les géométries et les déplacements potentiels le long de deux failles. Dans un dernier chapitre, nous avons appliqués les mesures géoradar sur les dépôts pyroclastiques du volcan Tungurahua en Equateur. A nouveau, l'utilisation jointe de différentes fréquences (250, 500 et 800 MHz) nous permet d'imager efficacement les dépôts. Les unités principales sont mises en évidence avec l'antenne de 250 MHz et les architectures des dépôts sont observables avec les antennes de 500 et 800 MHz. / Georadar is a high frequency (>10MHz) electromagnetic method used to prospect near surface. When a topography is present, GPR images are distorted. To restore the true geometry of reflexions, we coded an migration algorithm which takes the topography into account. The method is first demonstrate on a simple synthetic model, and then succesfully applied on real data. However, migration algorithms bring noise to the data. Two methods have then been tested to avoid and remove it. The first one is inherent to the migration algorithm and reduce what is called operator's aliasing. The second one is a filter re-interpolating traces based on a profile containing the slope. Both methods remove inconsistent noise when used with caution, but decrease their quality when used with excess: reflexions presenting dip are the first to be deteriorated, as well as reflexions below strong topography. In a second chapter, we successfully used GPR in a paleo-sismology context in Mongolia. The use of two frequencies (50 and 500 MHz) as well as comparison with trenches bring complementaries informations on the geometry and possible offset along two faults. In the last chapter, GPR was tested over pyroclastic deposits from the Tungurahua volcano in Ecuador. Again, the combination of several frequencies (250, 500 and 800 MHz) has proven its efficiency. Main units were obvious with the 250 MHz antenna while the inner architecture of deposits was visible with the 500 and 800 MHz antenna.

Dans le cadre de la gestion de la ressource en eau, la connaissance des hétérogénéités des nappes alluviales représente un enjeu primordial. Ce travail de thèse, qui s’inscrit dans le programme du PIREN-Seine, s’est intéressé à la plaine alluviale de la Bassée, à l’amont de Paris, la plus large plaine alluviale de la Seine.Cette plaine alluviale joue le rôle d’une zone tampon contrôlant les flux entre le réseau de surface et un aquifère régional. Connaître les hétérogénéités sédimentaires est primordial pour la compréhension des écoulements et fait l’objet de ce travail.L’architecture à l’échelle kilométrique des dépôts alluviaux et la chronologie des nappes associées est établie. La géométrie du contact nappe-substrat, une vallée incisée, est estimée par krigeage. Une restitution paléo-hydrologique s’appuie sur les paléo-tracés préservés en surface des nappes alluviales. L’architecture fine des dépôts est restituée à partir de données de sondages converties en propriétés pétrophysiques et d’imagerie géoradar.La plaine de la Bassée correspond à deux terrasses étagées (Saalien terminal et Weichsélien) dans lesquelles sont emboîtées deux autres terrasses (Tardiglaciaire et Holocène).L’estimation de la géométrie du contact alluvions-substrat suggère la présence d’une rupture de pente liée à une érosion régressive durant le Weichsélien. Les faciès des différentes nappes sont assez semblables et dominés par des dépôts de forte perméabilité (sables et graviers). De faibles valeurs de perméabilités sont associées aux faciès de colmatage de chenaux et dépôts en masse.Les résultats obtenus sur la plaine de la Bassée méritent d’être confrontés et validés sur des affluents de la Seine (Marne, Yonne, Oise…) afin de proposer un modèle cohérent à l’échelle du bassin. / In the scope of water resource management, the characterization of alluvial plain architecture and heterogeneity represents a challenge. This PhD work which is part of the PIREN-SEINE program focuses on largest alluvial plain of the River Seine, “La Bassée”, located upstream of Paris.This alluvial plain can be considered as a buffer layer that controls the water fluxes between the fluvial system and the regional aquifers. Determining the sedimentary heterogeneities is essential for the comprehension of fluxes, this is the aim of this work.Kilometric scale architecture of the alluvial deposits and the associated alluvial sheets chronology are established. The geometry of the sheet-bedrock contact, an incised valley, is estimated by kriging interpolation. A paleohydrological restitution is based on the paleochannels preserved at the top of the alluvial sheets. The fine scale architecture of deposits is restored from sampling data converted into petrophysics properties and ground-penetrating radar acquisitions.The alluvial plain of La Bassée corresponds to two terraces (terminal Saalian and Weichselian) in which two other terraces are staircased (Late Glacial and Holocene).The estimated sheet-bedrock contact geometry suggests the presence of a knick-point related to a regressive erosion during the Weichselian. Sedimentary facies are very similar from one alluvial sheet to another, and are dominated by high permeability deposits (sand and gravel). Low permeability facies are associated to channel plugs and mass transport deposits.The infilling model of La Bassée region obtained in this study should be compared and validated on the River Seine tributaries (Marne river, Yonne river, Oise river…) to propose a coherent model at the basin scale.

Pendant une éruption volcanique sur des sommets englacés, des coulées de débris syn-eruptifs,dénommées lahars, peuvent être générées par la fonte partiale de glaciers. Ce phénomène estbien connu sur le volcan Cotopaxi, Equateur. La présente étude concerne trois vallées et un cônede déjection sur le flanc sud-ouest de ce volcan. Une première analyse a été conduite par relevésde formes géomorphologiques dans ces vallées qui témoignent des processus d’érosion et desédimentation lors du passage de lahars dans le passé, notamment ceux du dernier événementéruptif datant de 1877 AD. Bien que les types des formes géomorphologiques déterminées sontles mêmes, leur distribution spatiale varie d’une vallée à l’autre en fonction d’une interaction deparamètres morphologiques locaux. Les conditions environnementales individuelles déterminentégalement le volume de l’écoulement, paramètre crucial dans la délimitation de zones de risques delahars dans les plaines adjacentes. Pour cela, une deuxième étude a été menée à grande échelle surle cône de déjection à l’exutoire de la vallée la plus au Sud des trois. Une analyse intégrale de la morphologiede surface et des affleurements naturels a été complétée par des données stratigraphiquesde subsurface obtenues via un sondage avec un Géoradar. Reconstituer l’architecture sédimentairede ce cône permet de visualiser la distribution spatiale de formes érosives et de dépôts. L’étude àrévélé que différentes parties du cône sont actives à des moments distincts et les épaisseurs dedépôts de lahars sont variables en fonction du type d’écoulement et de son volume. Ceci permetde relier les dynamiques géomorphologiques des plaines alluviales aux zones d’initiation de laharssur les flancs du volcan. Enfin, cette étude a débouché sur la mise en place d’une nouvelle fonctiondans le logiciel de modélisation de lahars LAHARZ prenant en compte l’incorporation progressive desédiment dans un contexte érosif dans les vallées, ce qui permet une meilleure délimitation de zonesde risque de lahars sur le cône. / During a volcanic eruption at ice capped volcanoes, syn-eruptive volcanic debris flows, lahars, canbe triggered through the partial melting of the glaciers. This phenomenon is well known to have happenedat Cotopaxi volcano, Ecuador, where the present study has been realized. The latter concernsthree drainages on the southwestern flank of the volcano and one alluvial fan. A first analysis hasbeen conducted assessing geomorphologic features in the drainages testifying from erosional anddepositional processes during past lahars, in particular of those generated during the last eruptiveevent dating back to 1877 AD. Although the types of determined geomorphologic features are thesame, their spatial distribution varies among the three valleys as a function of an interplay of localmorphologic parameters. The individual environmental conditions determine also the flow volumeof such lahars, a critical parameter when to delineating hazard zones in the adjacent lowlands. Thesecond analysis has therefore be performed at large scale on the alluvial fan forming at the mouthof the southernmost of the three drainages. An integral study of the surface morphology and naturalexposures was enriched with subsurface stratigraphic information obtained through a ground penetratingradar survey. The sediment architecture of the fan provides valuable insights on the distributionof erosional features and deposits. Different fan parts appear to be active at different times andlahar deposit thicknesses are highly variable as a function of flow type and volume. This allows torelate floodplain dynamics to the initiation zone of lahars on the upper flanks of the volcano. At last,this research led to integrate a new bulking function acknowledging for erosional processes in thevalleys into the lahar-modeling software LAHARZ allowing to better delineate lahar hazard zones onthe fan.