La géologie, et plus particulièrement la géophysique, repose sur l’observation, directe et indirecte, de phénomènes se produisant en surface et dans les profondeurs de la Terre. Ces observations nous permettent d’étudier et définir la structure et les dynamiques globales de la Terre. L’étude des ondes sismiques générées par les tremblements de terre les plus puissants permet, par exemple, d’entrevoir la structure des hétérogénéités dans les premières centaines de kilomètres de la Terre. Dans cette thèse, nous nous intéressons au champ d’onde diffracté, qui est composé des arrivées tardives qui suivent les ondes incidentes. Par définition, les ondes diffractés contiennent de l’information liée aux hétérogénéités diffractantes, autrement dit les structures à petite échelle de la Terre, qu’elles rencontrent le long de leur trajet. De ce fait, il est possible d’étudier les variations rapides de vitesses sismiques grâce au champ d’onde diffracté, alors que ces informations seraient perdues dans les méthodes tomographiques à cause des facteurs de régularisation. Afin d’exploiter le champ d’onde diffracté, on a recours aux fonctions récepteurs (« receiver function » en anglais, RF) et à la migration sismique en profondeur de pré-empilage. Les procédures standard de migration sismiques sont de deux types principaux. Le premier type de procédures, dont l’exemple type est la migration en point de conversion communs (« common conversion point » en anglais, CCP) est rapide mais repose sur l’hypothèse fondamentale que les discontinuités que l’on cherche à imager sont horizontales. Le second type de procédures, pour lesquelles on peut citer la « reverse time migration » (RTM), ou la « generalized radon transform » (GRT), ne font pas d’hypothèse sur la structure du sous-sol, mais demandent une forte intensité des calculs et sont de fait souvent limités à des géométries bidimensionnelles. Au cours de ce manuscrit, nous développons une migration sismique de type Kirchhoff qui se base sur des calculs de temps de trajet sismique rapides en trois dimensions et quasiment aucune hypothèse sur la structure du milieu sous-jacent. Cet algorithme efficace nous permet de nous affranchir des traditionnelles limitations à des études 1D ou 2D. Notre principe d’imagerie prend en compte les ondes diffractées transmises et réfléchies, et se place dans la suite des travaux de Cheng et al. (2016). Nous adaptons la migration de type Kirchhoff élastique aux géométries de diffraction inhérentes à la sismologie passive et prenons en compte les multiples de surface. Les temps de trajet de toutes les ondes diffractées sont calculées grâce à la « fast marching method » (FMM). Les amplitudes et la polarité des signaux des RF sont corrigées à l’aide du calcul de figures de diffraction 3D. Pour extraire l’information des conversions transmises et réfléchies de façon cohérente, les résultats pour chaque mode de diffraction sont sommés de plusieurs façons (linéaire, à filtre de phase, et à filtre d’amplitude non linéaire). Afin de démontrer l’efficacité et la précision de notre méthode de migration, nous procédons à des tests synthétiques, aussi bien dans des situations réalistes qu’artificiellement compliquées, en nous servant du logiciel Raysum. Les résultats de ces tests prouvent que cette méthode de migration permet d’obtenir une image fidèle du milieu imagé quasiment sans artéfacts. En intégrant les trois composantes des RF dans la migration, cette méthode de migration est capable d’exploiter l’information d’ondes arrivant avec n’importe quel angle d’incidence et n’importe quel azimut. Finalement, cette méthode de migration multi-mode 3D est appliquée à deux jeux de données de terrain issus de réseaux sismiques déployés au dessus de zones de subduction, en Grèce et en Alaska / In geology, and in particular in geophysics, direct and indirect observations of processes occurring both at the surface of the Earth and at depth are used to understand the structure and dynamics of the Earth. For instance, seismic waves generated by large earthquakes can be used to study the structure of heterogeneities in the first few hundred kilometers inside the Earth. In this work, we use the scattered wavefield, which corresponds to energy arriving after the incident wavefield, to image the Earth. By nature, the scattered waves are linked to the scattering heterogeneities encountered along their propagation path, i.e. the fine scale structure of the Earth. Hence, the scattered wavefield has the ability to highlight structures where rapid velocity variations would otherwise be smoothed out by tomographic regularization, such as the structure of subducting slabs. To extract the information from the scattered wavefield, we resort to receiver function (RF) analysis and pre-stack depth migration. Standard migration procedures either rely on the assumption that underlying discontinuities are horizontal, such as in Common Conversion Point stacking (CCP), or are computationally expensive and usually limited to 2D geometries, such as in Reverse Time Migration (RTM) or Generalized Radon Transform (GRT). Here, we develop a Kirchhoff-type teleseismic imaging method that uses fast 3D travel-time calculations with minimal assumptions about the underlying structure. This provides high computational efficiency without limiting the problem to 1D or 2D geometries. In our method, we apply elastic Kirchhoff migration to transmitted and reflected teleseismic waves (i.e., RF). The approach expands on the work of Cheng et al. (2016). The 3D elastic Kirchhoff migration is adapted to the passive seismology scattering geometry and to account for free surface multiples. We use an Eikonal solver based on the fast marching method (FMM) to compute travel times for all scattered phases. 3D scattering patterns are computed to correct the amplitudes and polarities of the three component input signals. We consider three different stacking methods (linear, phase weighted and 2 nd root) to enhance the structures that are most coherent across scattering modes. To showcase the efficiency and accuracy of our migration procedure, we test it by conducting a series of synthetic tests in both artificially challenging and realistic scenarios. Results from synthetic tests show that our imaging principle can recover scattering structures accurately with minimal artifacts. We show that integrating the three components of the RF into the imaging principle allows to coherently retrieve the scattering potential for arbitrarily dipping discontinuities from all back-azimuths, and are able to retrieve a typical 2.5D subduction zone structure. We apply this novel 3D multi-mode Kirchhoff migration method to two different subduction zones, in Western Greece and Southern Alaska

Le Golfe de Corinthe (Grèce) est un rift continental caractérisé par un taux élevé d'extension et une microsismicité intense. Actuellement, la connaissance de sa structure crustale représente une étape nécessaire pour la construction de modèles géodynamiques réalistes. L'ojectif de ce travail de thèse est la définition d'une image sismique haute résolution de la région occidentale du Golfe de Corinthe à partir des enregistrements de la sismicité locale. La construction de cette image est effectuée par le biais d'une étude tomographique des temps de première arrivée et d'une migration cinématique en profondeur des ondes converties. La tomographie des premières arrivées nous a fourni des modèles de vitesse tridimensionnels des ondes P et S ainsi qu' une localisation précise de la microsismicité dans les 10 premiers kilomètres de la croûte. Les modèles de vitesse ainsi obtenus constituent les modèles de référence utilisés dans la migration en profondeur des ondes converties. A cet effet , nous avons adapté les techniques propres à la sismique d'exploration afin d'analyser les enregistrements de tremblements de terre avec une configuration d'acquisition irrégulière. Les résultats révèlent une image tridimensionnelle complexe de la zone sismogène du rift (7-10 km de profondeur) dans laquelle deux structures majeures sont identifiées par des importantes énergies transmises PS. Du point de vueméthodologique, ce travail montre la possibilité d 'exploiter les ondes converties à partir des enregistrements de séismes locaux pour définir une image haute fréquence du milieu de propagation à l'échelle de la croute terrestre.

La partie ouest du rift de Corinthe, en Grèce, s'ouvre à une vitesse d'environ 15 mm par an générant un taux de déformation parmi les plus élevés au monde, quelques séismes destructeurs de magnitude M>6 par décennie, et une forte activité microsismique irrégulière spatialement et temporellement. Afin de mieux comprendre les mécanismes liés à cette déformation crustale et de préciser les structures majeures actives, ce travail de recherche exploite la base de données sismologiques du Corinth Rift Laboratory de 2000 à 2015 en analysant finement les microséismes et leur évolution spatio-temporelle. La relocalisation globale des sources sismiques ainsi que leur classification en multiplets ont permis de préciser la géométrie des failles et d'identifier des comportements mécaniques différents. La zone ouest, au milieu du golfe, est affectée par des variations de pressions de fluides dans une couche géologique, entraînant des migrations des essaims de microséismes à des vitesses d'environ 50 m par jour. Les multiplets profonds de la partie centrale, près de la côte nord, sont persistants et semblent déclenchés par des épisodes de glissements lents asismiques sur un détachement immature pouvant atteindre la croûte ductile. Le faible pourcentage de déclenchement dynamique par les ondes sismiques suggère que l'état global du système de failles n'est pas au seuil critique de rupture. La magnitude des séismes est corrélée à l'impulsivité initiale de la rupture. Ces résultats précisent la dynamique de déformation du rift, les interactions sismique-asismiques, et permettront d'améliorer les modèles d'aléas sismiques de la région / The western part of the Corinth Rift in Greece is opening at about 15 mm per year, generating one of the highest deformation rates in the world, some destructive earthquakes of magnitude M>6 per decade, and high microseismic activity irregular in space and time. In order to better understand the mechanisms related to this crustal deformation and to specify the major active structures, this research work makes use of the seismological database of the Corinth Rift Laboratory from 2000 to 2015 by finely analyzing microearthquakes and their spatio-temporal evolution. The global relocation of the seismic sources and their classification into multiplets enable to refine the geometry of the faults and to identify different mechanical behaviors. The western zone, in the middle of the gulf, is affected by fluctuations of fluid pore pressures in a geological layer, resulting in microseismic swarm migrations at a velocity of about 50 m per day. The deep multiplets of the central part, near the northern coast, are persistent and appear to be triggered by episodes of slow aseismic slip along an immature detachment, which can reach the ductile crust. The low percentage of dynamic triggering by passing seismic waves suggests that the overall state of the fault system is not at the critical breaking point. The magnitude of earthquakes is correlated with the initial impulsiveness of the rupture. These results specify the dynamics of the rift deformation, the seismic-aseismic interactions, and will make possible the improvement of the seismic hazard models of the region