Afin de cartographier la structure souterraine des volcans et détecter des ressources géothermiques de haute température, on utilise souvent l’imagerie de résistivité électrique. La résistivité électrique des volcans est affectée par plusieurs facteurs: volume et salinité de l’eau interstitielle, abondance de minéraux conducteurs, température de la roche et présence de magma. Ce travail de thèse tente de contraindre l'interprétation des structures de résistivité électrique autour des volcans actifs, afin de développer des outils innovants pour l'exploration des ressources géothermiques. La contribution des minéraux conducteurs est au cœur de la thèse: conducteurs ioniques solides (minéraux argileux, en particulier la smectite) ou semi-conducteurs électroniques (pyrite, oxydes de fer), mais l’influence de la porosité, de la salinité, de la température et de la présence de magma est aussi étudiée. La thèse utilise le volcan Krafla comme terrain d’étude pour affiner les interprétations des structures de résistivité électriques, du fait de la disponibilité de carottes, de données, de bibliographie et d’infrastructure. La smectite et la pyrite sont formées par altération hydrothermale des roches volcaniques et témoignent ainsi des convections hydrothermales. Les oxydes de fer en revanche sont plutôt formés lors de la cristallisation du magma et sont dissous lors des circulations hydrothermales. La contribution de la smectite à la conductivité électrique de roches volcaniques, saturées en eau à différentes salinités, est d'abord étudiée en laboratoire (à température ambiante) par spectroscopie d’impédance électrique « résistivité complexe ». Des variations non linéaires de la conductivité électrique à 1 kHz avec la salinité sont observées et discutées. La conduction interfoliaire est suggérée comme un mécanisme important par lequel la smectite conduit le courant électrique. L'influence de la pyrite et des oxydes de fer sur les effets de polarisation provoquée est ensuite analysée en utilisant l'angle de phase de l'impédance, qui dépend de la fréquence. Un angle de phase maximal supérieur à 20 mrad est attribué à la pyrite si la roche est conductrice et aux oxydes de fer si la roche est résistive. L'angle de phase maximal augmente d'environ 22 mrad pour chaque pourcent de pyrite ou d'oxyde de fer. Ces résultats de laboratoire en domaine fréquentiel sont appliqués à l’interprétation de tomographies de résistivité complexe sur le terrain en domaine temporel. Smectite, pyrite et oxydes de fer ont pu être identifiés jusqu'à 200 m de profondeur. La température in-situ, plus élevées qu’en laboratoire, semble augmenter la conductivité de la smectite. De manière générale, la tomographie de résistivité complexe est recommandée comme méthode complémentaire aux sondages électromagnétiques pour l'exploration géothermique. / Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for hightemperature geothermal resources. The electrical resistivity of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of magma. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures around active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of geothermal resources. I focus on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides), but I also investigate the effects of porosity, salinity, temperature and presence of magma. I use Krafla volcano as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. Smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks and thus witness hydrothermal convection. On the other hand, iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma and dissolved by hydrothermal fluids. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic rocks saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy “complex resistivity”. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and discussed. Interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on induced polarization effects is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. A maximum phase-angle higher than 20 mrad is attributed to pyrite if the rock is conductive and to ironoxides if the rock is resistive. The maximum phase-angle increases by about 22 mrad for each additional per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to 200 m. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration.

La question du rôle structural et de la signification géodynamique des grandes discontinuités dans les<br />phénomènes tardi-orogéniques se pose dans la chaîne Varisque. Dans le Massif central français, le Sillon Houiller (SH)<br />est une faille lithosphérique dont la cinématique et le fonctionnement anté-Stéphanien restent inconnus. Afin de mieux<br />appréhender le rôle du SH au cours de l' évolution post-orogénique du Massif central, une étude pluridisciplinaire a été<br />réalisée sur des massifs granitiques qui longeaient l' accident : analyses pétro-structurales, géochrono-logiques,<br />anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM), gravimétrie ainsi que le retraitement de données aéro-magnétiques<br />disponibles. Ces nouvelles données géophysiques, de terrain et de l'ASM, ont été intégrées dans des modélisations<br />géophysiques et géologiques, 2D et 3D, directes et inverses qui ont mis en valeur la géométrie et la mise en place de ces<br />plutons syn-tectoniques namuriens. Il apparaît qu' au Namurien, le SH peut être lié à la mise en place de magmas,<br />comme le pluton de Montmarault, ou pas, comme ceux de Glénat, Omps et Boisset. Néanmoins, au Namurien,<br />l' ensemble des plutons granitiques enregistre une linéation d' étirement NW-SE, perpendiculaire à l' orientation générale<br />du SH. Au vu des analyses structurales et cinématiques, au Namurien, le SH s' il existe, ne peut alors que se comporter<br />que comme une zone de dilatation NW-SE.

L'inversion des formes d'onde (full waveform inversion, FWI) a suscité un intérêt dans le monde entier pour sa capacité à estimer de manière précise et détaillée les propriétés physiques du sous-sol. La FWI est généralement formulée sous la forme d'un problème d'ajustement des données par moindres carrés et résolus par une approche linéarisée utilisant des méthodes d'optimisation locales. Cependant, la FWI est bien connue de souffrir du problème de saut de phase rendant les résultats fortement dépendant de la qualité des modèles initiaux. L'inversion des formes d'ondes des arrivées réfléchies (reflection waveform inversion, RWI) a récemment été proposée pour atténuer ce problème en supposant une séparation d'échelle entre le modèle de vitesse lisse et le modèle de réflectivité à haut nombre d'onde. La formulation de RWI considère explicitement les ondes réfléchies afin d'extraire de ces ondes une information sur les variations lisses de vitesse des zones profondes. Cependant, la méthode néglige les ondes transmises qui contraignant les informations lisses de vitesse en proche surface.Dans cette thèse, une étude de la sensibilité en nombre d'ondes des méthodes de FWI et RWI a d'abord été revisitée dans le cadre de la tomographie en diffraction et des décompositions orthogonales. A partir de cette analyse, je propose une nouvelle méthode, à savoir l'inversion jointe des formes d'ondes transmises et réfléchies (joint full waveform inversion, JFWI). La méthode propose une formulation unifiée pour combiner la FWI des transmissions et la RWI pour les réflexions, donnant naturellement une sensibilité commune aux petits nombres d'onde venant des arrivées grand-angle et réfléchies. Les composantes à hauts nombres d'onde sont naturellement atténuées par la formulation. Pour satisfaire l'hypothèse de séparation d'échelle, j'utilise une paramétrisation du sous-sol basée sur la vitesse des ondes de compression et l'impédance acoustique. La complexité temporelle de cette approche est le double de la méthode de FWI classique et la requête mémoire reste la même.Une procédure d'inversion est ensuite proposée, permettant d'estimer alternativement le modèle de la vitesse du sous-sol par JFWI et l'impédance inversion de formes d'ondes réfléchies. Un exemple synthétique réaliste du modèle de Valhall est d'abord utilisé avec des données de streamer et à partir d'un modèle initial très lisse. Dans ce cadre, alors que la FWI converge vers un minimum local, la JFWI réussit à reconstruire un modèle de vitesse lisse de bonne qualité. La prise en compte des ondes tournante par la JFWI montre un fort intérêt pour la qualité de reconstruction superficielle, comparée à la méthode RWI seule. Cela se traduit ensuite par une reconstruction améliorée en profondeur. Le modèle de vitesse lisse construit par JFWI peut ensuite être considéré comme modèle initial pour la FWI classique, afin d'injecter le contenu en haut nombres d'onde tout en évitant le problème de saut de phase.Les avantages et limites de l'approche de JFWI sont ensuite étudiés dans une application sur données réelles, venant d'un profil 2D de données de fond de mer (OBC) recoupant un nuage de gaz au dessus d'un réservoir. Plusieurs modèles initiaux et stratégies d'inversion sont testés afin de minimiser le problème de saut de phase, tout en construisant des modèles de sous-sol avec une résolution suffisante. Sous réserve de mettre en œuvre des stratégies limitant le problème de saut de phase, la JFWI montre qu'elle peut produire un modèle de vitesse acceptable, injectant les bas nombres d'onde dans le modèle de vitesse. L'amélioration de l'éclairage en angles de diffraction fournie par des acquisitions 3D devrait permettre de pouvoir commencer l'inversion par JFWI à partir de modèle encore moins bien définis. / Full waveform inversion (FWI) has attracted worldwide interest for its capacity to estimate the physical properties of the subsurface in details. It is often formulated as a least-squares data-fitting procedure and routinely solved by linearized optimization methods. However, FWI is well known to suffer from cycle skipping problem making the final estimations strongly depend on the user-defined initial models. Reflection waveform inversion (RWI) is recently proposed to mitigate such cycle skipping problem by assuming a scale separation between the background velocity and high-wavenumber reflectivity. It explicitly considers reflected waves such that large-wavelength variations of deep zones can be extracted at the early stage of inversion. Yet, the large-wavelength information of the near surface carried by transmitted waves is neglected.In this thesis, the sensitivity of FWI and RWI to subsurface wavenumbers is revisited in the frame of diffraction tomography and orthogonal decompositions. Based on this analysis, I propose a new method, namely joint full waveform inversion (JFWI), which combines the transmission-oriented FWI and RWI in a unified formulation for a joint sensitivity to low wavenumbers from wide-angle arrivals and short-spread reflections. High-wavenumber components are naturally attenuated during the computation of model updates. To meet the scale separation assumption, I also use a subsurface parameterization based on compressional velocity and acoustic impedance. The temporal complexity of this approach is twice of FWI and the memory requirement is the same.An integrated workflow is then proposed to build the subsurface velocity and impedance models in an alternate way by JFWI and waveform inversion of the reflection data, respectively. In the synthetic example, JFWI is applied to a streamer seismic data set computed in the synthetic Valhall model, the large-wavelength characteristics of which are missing in the initial 1D model. While FWI converges to a local minimum, JFWI succeeds in building a reliable velocity macromodel. Compared with RWI, the involvement of diving waves in JFWI improves the reconstruction of shallow velocities, which translates into an improved imaging at greater depths. The smooth velocity model built by JFWI can be subsequently taken as the initial model for conventional FWI to inject high-wavenumber content without obvious cycle skipping problems.The main promises and limitations of the approach are also reviewed in the real-data application on the 2D OBC profile cross-cutting gas cloud.Several initial models and offset-driven strategies are tested with the aim to manage cycle skipping while building subsurface models with sufficient resolution. JFWI can produce an acceptable velocity model provided that the cycle skipping problem is mitigated and sufficient low-wavenumber content is recovered at the early stage of inversion. Improved scattering-angle illumination provided by 3D acquisitions would allow me to start from cruder initial models.

Originally developed in the 1970s for the optimal control of systems governed by partial differential equations, the adjoint method has found several successful applications, e.g. in meteorology with large-scale 3D or 4D atmospheric data assimilation schemes, for carbon cycle data assimilation in biogeochemistry and climate research, or in oceanographic modelling with efficient adjoint codes of ocean general circulation models.<p><p>Despite the variety of applications in these research fields, adjoint methods have only very recently drawn attention from the ocean acoustics community. In ocean acoustic tomography and geoacoustic inversion, where the inverse problem is to recover unknown acoustic properties of the water column and the seabed from acoustic transmission data, the solution approaches are typically based on travel time inversion or standard matched-field processing in combination with metaheuristics for global optimization. <p><p>In order to complement the adjoint schemes already in use in meteorology and oceanography with an ocean acoustic component, this thesis is concerned with the development of the adjoint of a full-field acoustic propagation model for shallow water environments. <p><p>In view of the increasing importance of global ocean observing systems such as the European Seas Observatory Network, the Arctic Ocean Observing System and Maritime Rapid Environmental Assessment (MREA) systems for defence and security applications, the adjoint of an ocean acoustic propagation model can become an integral part of a coupled oceanographic and acoustic data assimilation scheme in the future. <p><p>Given the acoustic pressure field measured on a vertical hydrophone array and a modelled replica field that is calculated for a specific parametrization of the environment, the developed adjoint model backpropagates the mismatch (residual) between the measured and predicted field from the receiver array towards the source.<p><p>The backpropagated error field is then converted into an estimate of the exact gradient of the objective function with respect to any of the relevant physical parameters of the environment including the sound speed structure in the water column and densities, compressional/shear sound speeds, and attenuations of the sediment layers and the sub-bottom halfspace. The resulting environmental gradients can be used in combination with gradient descent methods such as conjugate gradient, or Newton-type optimization methods tolocate the error surface minimum via a series of iterations. This is particularly attractive for monitoring slowly varying environments, where the gradient information can be used to track the environmental parameters continuously over time and space.<p><p>In shallow water environments, where an accurate treatment of the acoustic interaction with the bottom is of outmost importance for a correct prediction of the sound field, and field data are often recorded on non-fully populated arrays, there is an inherent need for observation over a broad range of frequencies. For this purpose, the adjoint-based approach is generalized for a joint optimization across multiple frequencies and special attention is devoted to regularization methods that incorporate additional information about the desired solution in order to stabilize the optimization process.<p><p>Starting with an analytical formulation of the multiple-frequency adjoint approach for parabolic-type approximations, the adjoint method is progressively tailored in the course of the thesis towards a realistic wide-angle parabolic equation propagation model and the treatment of fully nonlocal impedance boundary conditions. A semi-automatic adjoint generation via modular graph approach enables the direct inversion of both the geoacoustic parameters embedded in the discrete nonlocal boundary condition and the acoustic properties of the water column. Several case studies based on environmental data obtained in Mediterranean shallow waters are used in the thesis to assess the capabilities of adjoint-based acoustic inversion for different experimental configurations, particularly taking into account sparse array geometries and partial depth coverage of the water column. The numerical implementation of the approach is found to be robust, provided that the initial guesses are not too far from the desired solution, and accurate, and converges in a small number of iterations. During the multi-frequency optimization process, the evolution of the control parameters displays a parameter hierarchy which clearly relates to the relative sensitivity of the acoustic pressure field to the physical parameters. <p><p>The actual validation of the adjoint-generated environmental gradients for acoustic monitoring of a shallow water environment is based on acoustic and oceanographic data from the Yellow Shark '94 and the MREA '07 sea trials, conducted in the Tyrrhenian Sea, south of the island of Elba.<p> <p>Starting from an initial guess of the environmental control parameters, either obtained through acoustic inversion with global search or supported by archival in-situ data, the adjoint method provides an efficient means to adjust local changes with a couple of iterations and monitor the environmental properties over a series of inversions. <p><p>In this thesis the adjoint-based approach is used, e.g. to fine-tune up to eight bottom geoacoustic parameters of a shallow-water environment and to track the time-varying sound speed profile in the water column. <p><p>In the same way the approach can be extended to track the spatial water column and bottom structure using a mobile network of sparse arrays.<p><p>Work is currently being focused on the inclusion of the adjoint approach into hybrid optimization schemes or ensemble predictions, as an essential building block in a combined ocean acoustic data assimilation framework and the subsequent validation of the acoustic monitoring capabilities with long-term experimental data in shallow water environments. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished