Le développement de l’énergie géothermique a conduit à l’exploitation de ressources établies dans des contextes géologiques et géodynamiques très variés. L’exploration géophysique de ces réservoirs complexes nécessite l’utilisation de plusieurs méthodes d’imagerie complémentaire. Ce travail de thèse porte sur l’exploration d’une ressource géothermique située en contexte de socle fracturé dans le Massif Central français par magnétotellurique, tomographie de bruit ambiant et gravimétrie.La magnétotellurique est une méthode d’imagerie 3D résolvante qui est sensible à la présence d’eau et aux argiles d’altération hydrothermale mais limitée par sa couverture spatiale. La tomographie de bruit sismique présente une bonne résolution verticale mais ne résout pas les variations horizontales de vitesse. Cette méthode est sensible aux variations des propriétés mécaniques des roches et donc aux milieux fracturés. Enfin la gravimétrie apporte une contrainte sur les variations lithologiques et possède une bonne résolution latérale mais une faible résolution verticale.Nous présentons une méthode d’inversion conjointe des données sismiques et gravimétriques sous contrainte d’un modèle de résistivité obtenu par inversion magnétotellurique indépendante. L’inversion conjointe nécessite de définir des couplages entre modèles. Par absence de connaissance a priori de relations pétrophysiques, nous avons couplé les modèles de densité, de résistivité et de vitesse avec une loi qui contraint les paramètres à être corrélés en moyenne. Cette stratégie vise à faire ressortir des relations caractéristiques des objets géologiques de la ressource géothermique.Cette méthodologie d’inversion conjointe a été testée sur des modèles synthétiques. L’application aux données réelles acquises dans le Massif Central a permis de définir une zone en profondeur de forte corrélation interprétée comme la transition ductile fragile. La partie intermédiaire des modèles, plus homogène, permet de distinguer différentes unités géologiques séparées par une zone de faille. Enfin la partie superficielle se distingue par une forte hétérogénéité des paramètres résultants probablement de processus d’altération de surface. / The development of geothermal energy has led to the exploitation of resources established in varied geological and geodynamic contexts. Geophysical exploration of these complex reservoirs requires the use of several complementary imaging methods. This PhD thesis focuses on the exploration of a geothermal resource located within the fractured basement in the French Massif Central using magnetotelluric, ambient noise tomography and gravimetry. Magnetotelluric is a 3D imaging method with a good resolution power that is sensitive to the presence of water and hydrothermal weathering clays but is limited by its spatial coverage. Seismic noise tomography has a good vertical resolution but does not resolve well horizontal velocity variations. This method is sensitive to variations of the mechanical properties of rocks and thus to fractured media. Finally gravimetry brings constraint on the lithological variations and has a good lateral resolution but lacks vertical resolution.We present a method of joint inversion of seismic and gravimetric data under the constraint of a resistivity model obtained by independent magnetotelluric inversion. Joint inversion requires defining model couplings. By lack of prior knowledge of petrophysical relationships, we have coupled the density, resistivity and velocity models with a law that constraints the parameters to be correlated on average.This strategy aims to bring out the characteristic relationships of the geological objects of the geothermal resource. This joint inversion methodology has been tested on synthetic models. The application to the real data acquired in the Massif Central has made it possible to define a deep zone of high correlation interpreted as the fragile ductile transition. The intermediate part of the models, more homogeneous, allows to distinguish different geological units separated by a fault zone. Finally the superficial part is distinguished by strong heterogeneity of the parameters resulting probably from surface alteration process.

L'inversion conjointe géophysique est la méthode la plus efficace pour imager l'intérieur de la Terre. En intégrant plusieurs techniques géophysiques elle permet de réduire les incertitudes inhérentes à chacune et ainsi améliorer la compréhension de la Terre. Dans cette étude, nous utilisons les techniques des fonctions récepteur (RF) en sismologie, de la magnétotellurique (MT) et de la gravimétrie qui permettent de caractériser respectivement la vitesse des ondes S, la résistivité électrique et la densité du sous-sol.Le but de ce travail de recherche se divise en deux parties: une première, méthodologique, sur le développement d'une nouvelle approche d'inversion conjointe en 3D et une deuxième avec l'application de ces techniques (en approche jointe ou séparée) sur la Divergence Nord Tanzanienne pour mieux comprendre le phénomène de rupture continentale. Pour la partie méthodologie deux approches ont été développées : une entre les données de MT et de gravimétrie avec un calcul original de l'effet gravimétrique de la topographie qui permet de réduire le nombre de mailles tout en gardant une résolution satisfaisante ; et une deuxième méthode entre les données de MT et de RF par une nouvelle approche d'extrapolation des modèles 1D de vitesse en pseudo modèle 3D de vitesse. L'application de ces techniques sur la Tanzanie a permis de mettre en évidence un certain nombre de structures lithosphériques dont deux zones majeures à faible vitesse dans la croûte inférieure et dans le manteau supérieur. Cette dernière semble refléter des interactions entre des structures héritées d'âge protérozoïque et le panache mantellique Africain. / Geophysical joint inversion attempts to reproduce as best as possible the interior of the Earth. By integrating several geophysical techniques the joint inversion reduces the uncertainties of each methods and improves our understanding of the Earth structure. In this study we use the receiver functions (RF), the magnetotelluric (MT) and the gravity methods which enable to charaterize the Swave velocity, the electrical resistivity and the density, respectively. The objective of this research work is divided in two parts; first with the development of a new 3D joint inversion approach and then with the application of these methods (on a joint or separate approach) on the North Tanzanian Divergence to better understand the continental breakup.For the methodologic part two approaches have been developed; one between the MT and gravity data with an original computation of the topographic effect which decreases the number of cells while keeping a satisfaying resolution. And a second method between the MT and RF data where pseudo 3D velocity model are created and combined with the MT models to better takes into account the physical properties of the receiver function. The application of these methods on the Tanzania highlighted several lithospheric structures and particularly two low-velocity areas in the lower crust and the upper mantle. This latter suggests interactions with Proterozoic inherited structures and the African plume material.

Dans ce manuscrit, nous développons des méthodologies de détection et caractérisation de sources géomagnétiques et atmosphériques en se basant sur la transformée en ondelettes continues. Les techniques introduites se basent sur les caractéristiques temps-fréquence des ondes observées dans les séries temporelles magnétotelluriques (MT). A partir de ces procédures de détection, nous détaillons l'implémentation d'une stratégie de détermination des fonctions de réponse MT basée sur les statistiques robustes, et du bootstrap hiérarchique pour le calcul des incertitudes. Deux études MT sont également détaillées. La première étude MT concerne la caractérisation de la structure géoélectrique situé sous l'observatoire magnétique de Chambon-La-Forêt, France. La seconde étude concerne des mesures effectuées dans la vallée de Trisuli au Népal en mars 2016. L'objectif de cette campagne est la comparaison avec une étude effectuée en 1996. Nous discutons des effets topographiques sur les sondages MT. Nous présentons également une nouvelle interprétation de la distribution de conductivité dans le sous-sol de vallée de Trisuli. / In this manuscript, we detail the application of continuous wavelet transform to processing schemes for the detection and the characterisation of geomagnetic and atmospheric sources. Presented techniques are based on time-frequency properties of electromagnetic (EM) waves observed in magnetotellurics (MT) time series. We detail the application of these detection procedures in a MT processing scheme. To recover MT response functions, we use robust statistics and a hierarchical bootstrap approach for uncertainties determination. Interpretation of two datasets are also presented. The first MT study deals with the caracterisation of the resistivity distribution below the French National magnetic observatory of Chambon-la-Forêt. The second study details the interpretation of new MT soundings acquired in March 2016 in the Trisuli valley, Nepal. The main objective of this campaign was to compare the new soundings with an old campaign in 1996. We discuss topography effects on MT soundings and their implication on the resistivity distribution. We also introduce a new interpretation of the resistivity distribution in Trisuli valley.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude de la structure électrique de la croûte terrestre dans deux régions du Vietnam, au Nord dans le delta du Fleuve Rouge et au Sud dans la région de la faille de la Rivière Saigon, et en Afrique de l’Ouest, où les données utilisées sont celles acquises durant l’Année Internationale de l’Electrojet Equatorial (AIEE). La technique utilisée est celle du sondage magnétotellurique. Deux des régions étudiées (le sud du Vietnam et l’Afrique de l’Ouest) sont situées au voisinage de l’équateur magnétique. Du fait de la présence de l’électrojet équatorial, l’hypothèse de l’onde plane, sur laquelle est basée la magnétotellurique, n’y est vérifiée que pour une gamme de périodes limitée. La modélisation de l’induction par un électrojet gaussien nous a permis de caractériser l’effet de source associé à l’électrojet équatorial, et de déterminer pour chacune des zones étudiées les gammes de périodes pour lesquelles cet effet de source est négligeable. Nous avons par ailleurs montré que l’effet de source associé à l’électrojet équatorial dépend des principales caractéristiques de la structure électrique du sous-sol, et de la distance entre le centre de l’électrojet équatorial et la position examinée. Dans le delta du fleuve Rouge, le profil magnétotellurique est orienté SO-NE. Long d’environ 32 km, il recoupe les failles majeures du système de failles du Fleuve Rouge. Les données magnétotelluriques ont été inversées pour obtenir une coupe transversale de résistivité électrique pour les trois premiers kilomètres. Cette coupe de résistivité électrique et une coupe de densité obtenue par modélisation des données gravimétriques acquises le long du même profil, ainsi que des informations déduites de forages effectués au voisinage du profil ont été utilisées pour proposer une coupe géologique de la région étudiée. Dans la région de la faille de la Rivière Saigon, le profil magnétotellurique, long d’environ 15 km, recoupe le trajet supposé de la faille. La structure électrique des premiers kilomètres de la croûte a été déterminée par inversion 2-D des données pour les gammes de périodes qui ne sont pas affectées par l’électrojet équatorial (< 0,7 s). La coupe transversale de résistivité électrique ainsi obtenue nous a permis de proposer une nouvelle localisation de la faille de la Rivière Saigon, à la limite entre un domaine résistant, le bloc de Da Lat au nord-est, et un domaine moins résistant, le bloc de Can Tho au sud-ouest. Cette nouvelle localisation est à environ 2,2 km au sud-ouest de la localisation généralement supposée pour cette faille. En Afrique de l’Ouest, nous avons montré que les données de jour sont affectées par l’électrojet équatorial pour toute la gamme de période étudiée (>120 s); ces données n’ont donc pas été utilisées pour déterminer la structure électrique de la croûte et du manteau supérieur. L’inversion 2-D des données de nuit, montre la présence d’une structure subverticale, relativement conductrice, qui sépare le Craton Ouest-africain très résistant des terrains situés sous le bassin du fleuve Sénégal. / This thesis is devoted to the study of the electrical structure of the Earth’s crust in two regions of Vietnam (the Red River Delta in the north and the region of the Saigon River fault in the south) and in West Africa. The data were those acquired during the International Year of the Equatorial Electrojet (IYEE). The technique used is the magnetotelluric (MT) sounding method. Two of the regions studied (southern Vietnam and West Africa) are located near the magnetic equator. Due to the presence of the equatorial electrojet in these regions, the assumption of plane wave, on which MT relies, is valid for a limited range of periods. Modeling of the induction by a Gaussian electrojet allowed us to characterize the source effect associated with the equatorial electrojet, and to determine for each studied region the period ranges for which the source effect is negligible. We have also shown that the source effect associated with the equatorial electrojet depends on the main features of the electrical structure of the basement, and the distance between the center of the equatorial electrojet and the location of the considered station. In the Red River Delta at the north, the MT profile is oriented SW-NE. It is about 32 km long, and goes across the major faults of the Red River fault system. MT data were applied 2-D inversion to obtain a electrical cross-section for the first three kilometers of the crust. This electrical cross-section, a density cross-section obtained by modeling of gravity data collected along the same profile, and information derived from holes drilled in the vicinity of the profile, both were used to construct a geological section of the study area. In the region of the Saigon River fault, the magnetotelluric profile is about 15 km long. It goes across the supposed location of the fault. The electrical structure of the first three kilometers of the crust was determined by 2-D inversion of data for periods which are not affected by the equatorial electrojet (< 0.7 s). The electrical cross-section obtained allowed us to propose a new location for the Saigon River fault; it corresponds to the boundary between a resistant domain, the block of Da Lat in the north-east, and a less resistant domain, the block of Can Tho in the south-west. This new location is about 2.2 km southwest of the location currently assumed for this fault. In West Africa, we have shown that electromagnetic impedances derived using day time data are affected by the equatorial electrojet for the whole range of period studied (> 120 s), so these data have not been used to determine the electrical structure of the crust and the upper mantle. The 2-D inversion of nighttime data shows the presence of a subvertical structure, relatively conductive, which separates the West African Craton which is very resistant from the geological structures beneath the Senegal River basin.

Pour mieux comprendre les résultats géophysiques en termes de géologie, il est important d'utiliser différents types de données acquises par plusieurs méthodes. Une seule méthode géophysique n'a pas nécessairement la résolution suffisante pour expliquer la géologie. Avec une seule méthode, il peut être difficile de donner un sens géologique aux anomalies observées dans les modèles. L'inversion conjointe, en revanche, est une approche permettant de combiner des données de différentes natures. L'inversion conjointe peut être réalisée de deux façons : structurale ou pétrophysique. On peut subdiviser les inversions conjointes en deux groupes : l'inversion conjointe de méthodes sensibles au même paramètre physique comme les sondages électriques DC-DC et AC-DC, et l'inversion conjointe de méthodes sensibles aux paramètres de natures différentes, comme la gravimétrie et la sismique ou la sismique et la magnétotellurique (MT).Dans ce travail de thèse, je présente la solution de l'inversion conjointe de données MT et gravimétriques. La bonne résolution verticale mais la faible couverture spatiale des données MT peuvent être complémentaire des données gravimétriques qui possèdent une excellente couverture spatiale mais une faible résolution verticale.Le problème qui se pose dans l'inversion conjointe de données de différentes natures, est comment relier les différents paramètres. Des formules analytiques entre les vitesses sismiques et les densités ou entre les résistivités électriques et les densités sont destinées à des études spécifiques. En général, il n'est pas évident de relier les paramètres par des relations pétrophysiques. Par conséquent, il est nécessaire de développer des algorithmes qui n'imposent pas de relation spécifique entre les paramètres. L'approche d'inversion conjointe présentée ici est assez générale. Je pose une fonction de condition géométrique (GCF) sous laquelle les paramètres varient dans le même domaine pour imager les mêmes milieux.La méthodologie développée durant cette thèse est testée et validée sur des modèles synthétiques. Une application est réalisée sur les données réelles acquises dans la région de Turkana, Nord Kenya, une branche du Rift Est Africain. Les résultats obtenus ont permis de confirmer certaines conclusions apportées par les résultats de la sismique réflexion et d'apporter de nouvelles informations. L'étude a permis, en effet, de mettre en évidence deux Bassins en forme de demi-graben et de déterminer l'épaisseur des basaltes, jusque là inconnus. Une stratigraphie est proposée pour les bassins de Turkana et de Kachoda. Concernant l'étude de la lithosphère, nos résultats montrent une croûte très hétérogène et un manteau supérieur homogène. Deux anomalies (conductrices et moins denses) ont été mises en évidence entre la croûte inférieure.Ces anomalies peuvent être des zones de fusion partielle à priori sont déconnectées du manteau supérieur ou s'est initié la fusion.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la structure électrique de la croûte terrestre dans deux régions du Vietnam, au Nord dans le delta du Fleuve Rouge et au Sud dans la région de la faille de la Rivière Saigon, et en Afrique de l'Ouest, où les données utilisées sont celles acquises durant l'Année Internationale de l'Electrojet Equatorial (AIEE). La technique utilisée est celle du sondage magnétotellurique. Deux des régions étudiées (le sud du Vietnam et l'Afrique de l'Ouest) sont situées au voisinage de l'équateur magnétique. Du fait de la présence de l'électrojet équatorial, l'hypothèse de l'onde plane, sur laquelle est basée la magnétotellurique, n'y est vérifiée que pour une gamme de périodes limitée. La modélisation de l'induction par un électrojet gaussien nous a permis de caractériser l'effet de source associé à l'électrojet équatorial, et de déterminer pour chacune des zones étudiées les gammes de périodes pour lesquelles cet effet de source est négligeable. Nous avons par ailleurs montré que l'effet de source associé à l'électrojet équatorial dépend des principales caractéristiques de la structure électrique du sous-sol, et de la distance entre le centre de l'électrojet équatorial et la position examinée. Dans le delta du fleuve Rouge, le profil magnétotellurique est orienté SO-NE. Long d'environ 32 km, il recoupe les failles majeures du système de failles du Fleuve Rouge. Les données magnétotelluriques ont été inversées pour obtenir une coupe transversale de résistivité électrique pour les trois premiers kilomètres. Cette coupe de résistivité électrique et une coupe de densité obtenue par modélisation des données gravimétriques acquises le long du même profil, ainsi que des informations déduites de forages effectués au voisinage du profil ont été utilisées pour proposer une coupe géologique de la région étudiée. Dans la région de la faille de la Rivière Saigon, le profil magnétotellurique, long d'environ 15 km, recoupe le trajet supposé de la faille. La structure électrique des premiers kilomètres de la croûte a été déterminée par inversion 2-D des données pour les gammes de périodes qui ne sont pas affectées par l'électrojet équatorial (< 0,7 s). La coupe transversale de résistivité électrique ainsi obtenue nous a permis de proposer une nouvelle localisation de la faille de la Rivière Saigon, à la limite entre un domaine résistant, le bloc de Da Lat au nord-est, et un domaine moins résistant, le bloc de Can Tho au sud-ouest. Cette nouvelle localisation est à environ 2,2 km au sud-ouest de la localisation généralement supposée pour cette faille. En Afrique de l'Ouest, nous avons montré que les données de jour sont affectées par l'électrojet équatorial pour toute la gamme de période étudiée (>120 s); ces données n'ont donc pas été utilisées pour déterminer la structure électrique de la croûte et du manteau supérieur. L'inversion 2-D des données de nuit, montre la présence d'une structure subverticale, relativement conductrice, qui sépare le Craton Ouest-africain très résistant des terrains situés sous le bassin du fleuve Sénégal.