L'inversion des formes d'ondes (FWI) est une procédure d'imagerie sismique pour imager le sous-sol de la Terre. FWI est résolue comme un problème d'optimisation. En fonction du contenu en fréquence des données, la fonction objective de FWI peut être fortement non linéaire. Pour des données associées des réflexions, ce problème empêche notamment les méthodes basées sur le gradient de retrouver les grandes longueurs d'onde du modèle de vitesse. Dans cette thèse, nous proposons une variante de FWI basée sur la séparation des champs d'ondes, typiquement en champs montants et descendants, pour atténuer la non-linéarité du problème. Il consiste à décomposer le gradient de FWI en une partie de courte longueur d'onde et une partie de grande longueur d'onde après décomposition des champs d'ondes. L'inversion est effectuée d'une manière alternée entre ces deux parties. Nous appliquons cette méthode à plusieurs études de cas et montrons que la nouvelle approche est plus robuste en particulier pour la construction du modèle de grande longueur d'onde. / Full Waveform Inversion (FWI) is a seismic imaging procedure to image the subsurface of the Earth. FWI is resolved as an optimization problem . Depending on the frequency content of the data, the objective function of FWI may be highly nonlinear. If a data set mainly contains reflections, this problem particularly prevents the gradient-based methods from recovering the long wavelengths of the velocity model.In this thesis, I propose a variant of FWI based on the wavefield separation, typically between up- and down- going waves, to mitigate the nonlinearity of the problem. The new method consists of decomposing the gradient of FWI into a short-wavelength part and a long-wavelength part after wavefield decomposition. The inversion is performed in an alternating fashion between these two parts. We apply this method to several case studies and show that the new method is more robust especially for constructing the long-wavelength model.

Le but de ce travail est de préciser la déformation en mer à l'est de Taïwan et de notamment caractériser les failles actives majeures en particulier au niveau de l'avant-arc des Ryukyus. Le problème majeur associé à l'étude de cette région est que les séismes sont localisés en dehors des réseaux permanents et que cela conduit à des localisations peu précises limitant les analyses statistiques, tectoniques et donc l'estimation correcte de l'aléa sismique. Ce travail est inclus dans le projet ANR ACTS (Active Tectonics and Seismic Hazard in Taiwan). Pour atteindre cet objectif, nous travaillons à trois échelles de temps différentes pour lesquelles une méthode de localisation différente a été proposée pour obtenir une image précise de la déformation sismique et mettre en évidence les failles majeures en mer à l'est de Taïwan. D'abord, à l'échelle du siècle (à partir de l'analyse d'un catalogue de sismicité homogène en magnitude), les séismes historiques instrumentaux (1897-2007) montrent que la marge des Ryukyus a été affectée par 6 séismes de magnitude supérieure à 7 dont 4 pour lesquels la faille responsable n'est pas connue. Nous proposons une méthode de localisation relative qui permet de relocaliser les évènements historiques à partir des différences de temps d'arrivées P et S (Ts-Tp) à chaque station. La localisation est obtenue en recherchant les séismes analogues dans le catalogue instrumental récent (1991-2008) pour lesquels Ts-Tp à chaque station est proche. Cette méthode a été appliquée au plus gros séisme (en terme de magnitude) jamais enregistré à Taïwan, le séisme du 5 juin 1920 (M7.7 $\pm$ 0.2). Ce séisme a certainement pour origine une rupture sur l'interplaque sismogène de la subduction des Ryukyus avec une possible nucléation à la base d'une faille hors-séquence. Ensuite, à l'échelle de la dizaine d'années, l'amélioration de la méthode de localisation absolue du MAXimum d'Intersection EDT (MAXI, EDT: Equal Differential Time) permet de mieux extraire les temps d'arrivées erronés et empêche les "trade-off" entre profondeur et temps d'origine et, entre profondeur et position épicentrale lorsque la couverture azimutale est faible (gap azimutal > 180°). Des tests synthétiques montrent l'efficacité de MAXI (en utilisant les ondes P uniquement) à déterminer les paramètres x, y et z même lorsque le gap azimutal est important. Dans ce dernier cas, la qualité des résultats reste dépendant du modèle de vitesse à représenter la structure 3D de la Terre. Nous proposons une démarche associant l'utilisation d'un modèle de vitesse des ondes P 3D a priori avec la méthode MAXI pour localiser les séismes qui sont latéraux et éloignés du réseau. Une application au cas de Taïwan et en Équateur valide cette approche. Enfin, à l'échelle de quelques mois, la campagne de géophysique marine RATS (Ryukyu Arc: Tectonics and Seismology) a été menée en deux temps. Une expérience de sismologie passive de juillet à octobre 2008 (RATS1) a été menée au-dessus de l'avant-arc des Ryukyus puis une expérience de sismique active (réfraction et réflexion) a été menée en mai 2009 sur une ligne NNE-SSW à travers la marge des Ryukyus. Ces deux expériences combinées permettent d'améliorer notre connaissance de la structure crustale de la marge. Au niveau de l'avant-arc, le socle de l'avant-arc est caractérisé par une extrémité formant un butoir vertical et une base très déformée certainement associée à une importante déformation hors-séquence. En profondeur, la plaque plongeante est certainement affectée par une déchirure qui contrôle la sismicité dans cette région de transition entre la subduction et la collision.

Le mémoire de thèse comporte deux études relatives aux Alpes occidentales: 1) une étude de la sismicité(relocalisation des séismes locaux à l'aide d'un modèle 3D); 2) une étude de la structure lithosphérique à l'aide de résidus télésismiques, Ces deux études sont les premiers résultats significatifs utilisant les données du nouveau réseau SISMALP. La première partie traite essentiellement des problèmes de localisation des séismes alpins. Compte tenu de la complexité structurale des Alpes, un modèle de vitesse 3D a été élaboré afin d'obtenir des relocalisations précises des foyers sismiques. Le modèle crustal, partitionné en blocs de taille variable, est déduit d'une compilation des données et des résultats géophysiques. La méthode est appliquée à la relocalisation de deux crises sismiques : l'une en Ubaye, l'autre en mer Ligure. Une troisième application à l'échelle des Alpes occidentales et concernant quatre années de sismicité, met en évidence des essaims sismiques très bien contraints et montre une nouvelle image de la sismicité. La seconde partie présente une analyse des anomalies des temps de propagation des ondes P télésismiques. Une étude des variations azimutales des résidus relatifs permet de confirmer l'existence d'un plongement Iithosphérique situé en bordure ouest de la plaine du Pô. Un autre résultat important est la mise en évidence d'un accident Iithosphérique majeur orienté N140 séparant une microplaque de Provence d'une microplaque du Briançonnais. L'application d'une méthode de tracé de rais dans un milieu 2,5D montre : l'existence d'une paléo-subduction de la microplaque du Briançonnais sous le promontoire Adriatique atteignant 220 km de profondeur; l'existence d'une asthénosphère très lente sous la plaque Europe et l'existence d'une probable anisotropie de vitesse à grande échelle. De nouvelles implications géodynamiques pour les Alpes occidentales sont discutées.

On observe depuis 2005 une sismicité intense à 10 km d'Oulan Bator ce qui a permis d'identifier une faille active, Emeelt, sur le terrain. Après le calcule d'un modèle de vitesse 3D, j'ai appliqué la tomographie double différence pour obtenir une localisation précise des séismes. Ils marquent au moins trois branches parallèles orientées N147° comme la faille vue en surface. L'activité sur la faille principale d'Emeelt (MEF) s’étend sur 15 km, les branches Ouest et Est, moins actives, sur 10 km. La profondeur de l'activité s'étend entre 4 et 15 km. L'activité sismique semble concentrée à l'intersection avec des failles Mésozoïques et les contrastes Vs/Vs suggèrent la présence de fluides. Les 10 essaims identifiés montrent une activité croissante et une migration spatiale avec le temps. Le calcul de 2 scénarios possibles, un M ~ 6.4 et un M ~ 7, indique un important impact sur la ville d'Oulan Bator, avec une intensité minimum de VIII et localement IX pour M=6.4 et X pour M=7. / We observe since 2005 a high seismic activity at 10 km from Ulaanbaatar that allowed us to identify a new active fault, Emeelt, in the field. After computing a 3D velocity model, I applied Double-Difference tomography to obtain a precise localization of earthquakes. They trace at least three parallel branches oriented N147° like the fault seen at surface. The seismic activity on the Main Emeelt Fault (MEF) is along at least 15 km, on the West and East branches, less active, along 10 km. The depth of the seismicity extends between 4 and 15 km. The activity seems concentrated at the intersection with Mesozoic faults and Vp/Vs contrast suggests the presence of fluids. The 10 swarms identified show an increasing activity and a spatial migration with time. The calculation of 2 possible scenarios, one M ~ 6.4 and one M ~ 7, shows an important impact on Ulaanbaatar, with a minimum intensity of VIII and IX for M=6.4 and X for M=7.

Les séismes de type longue période (LP) sont aujourd’hui enregistrés sur la plupart des volcans dans le monde entier. Malgré cela, le mécanisme à leur source n’est encore que très peu compris. A l’heure actuelle les modèles proposés pour expliquer leur origine sont : 1) la résonance d’une fracture remplie de gaz ou de fluides excités par des instabilités dans l’écoulement des fluides ou par la rupture fragile du magma ; 2) la fracturation lente des sédiments peu consolidés à la surface des volcans, dans des conditions de transition entre le ductile et le fragile. L’outil le plus utilisé pour comprendre leur nature est aujourd’hui l’inversion du tenseur des moments. Au cours des dernières années, les inversions du tenseur des moments se concentraient principalement sur la compréhension du mécanisme physique à l’origine des séismes LP qui souvent supposaient des milieux géologiques très simples, voire homogènes. Des études récentes ont montré l’influence des sédiments peu consolidés à la surface des volcans sur la propagation des ondes à basse fréquence et en conséquence, sur l’inversion du tenseur des moments quand ils ne sont pas pris en compte dans le processus d’inversion. Le but de cette thèse est de mieux comprendre les processus physiques qui génèrent les séismes LP et de quantifier les incertitudes liées à leur interprétation. / Long-period (LP) seismic events are abundantly recorded during rest and unrest periods at many volcanoes worldwide. However, their source mechanism is still poorly understood. Models which have been proposed so far to explain their origin are: 1) the resonance of a fluid-filled cavity triggered by fluid instabilities or the brittle failure of magma; 2) slow-rupture earthquakes occurring in the low consolidated materials composing the shallow portion of the volcanic edifice. Nowadays the main tool used to get insights into their nature is moment tensor (MT) inversion. MT inversions carried out in the past years focused mainly on the understanding of the physical origin of LP events and often supposed a relative simple geological structure of the medium. Recent studies highlighted the strong influence of shallow unconsolidated materials on the retrieved MT solutions and the importance of considering geological inhomogeneity in the inversion process. The principal aim of this thesis is to gain a better understanding of the source processes that generate LP events and to quantify the uncertainties related to the MT inversion process.

La sismicité induite par le gisement de gaz de Lacq a débuté en 1969, dans une région tectoniquement considérée comme asismique auparavant (M<3). L'exploitation est située au Sud du bassin Aquitain, à 30 km ad Nord de la chaîne pyrénéenne. Un réseau local a été installé en 1974 afin de suivre l'évolution spatio-temporelle des séismes *Plus de 1000 événements (1.0 <=MS <=4.2) ont été enregistrés entre 1974 et 1992. La très bonne connaissance de la structure géomécanique qui piège le réservoir (forages, profils sismiques, carottages ... ) a permis de construire un modèle de vitesse 3D permettant de relocaliser de manière fine la sismicité sur la période 1976- 1989. La position des hypocentres est étroitement corrélée avec la structure en dôme du réservoir ainsi qu'avec les discontinuités préexistantes. La construction des mécanismes au foyer (133 événements sélectionnés sur la période 1976-1989) montre une grande diversité dans les mécanismes de rupture. Cependant, la méthode des dièdres droits a permis de voir une évolution temporelle globale à l'échelle du gisement. Dans un premier temps (1976-1986) nous avons eu un régime en compression maximale verticale, suivi dans la seconde période (1987-1989) par un régime en compression maximale horizontale. L'inversion du tenseur des contraintes a confirmé ces résultats. La sismicité induite de Lacq étant très localisée (du fait de l'extension limitée du gisement), cela nous a permis de considérer le gisement comme un objet géologique isolé, à une échelle intermédiaire entre les processus tectoniques et les expériences de laboratoire. Nous n'avons pas retrouvé les résultats expérimentaux obtenus sur le coefficient b (relation fréquence-magnitude des séismes) car la présence d'événements asismiques (non décelables) sur Lacq semble jouer un rôle majeur dans la libération des contraintes. La géométrie fractale nous a permis de distinguer deux classes de séismes: (1) des séismes diffus répartis sur tout le gisement et (2) des nids de sismicité corrélés avec la structure en dôme du réservoir. Bien qu'il n'y ait pas de corrélation temporelle entre D et b, nous proposons cependant qu'il existe un lien géomécanique entre ces deux paramètres.