L'imagerie des paramètres physiques du sous-sol à partir d'enregistrements sismiques de surface constitue un problème inverse non linéaire. L'inversion des formes d'onde élastique est une méthode d'imagerie quantitative multiparamètres de diffractants, nécessitant au préalable la connaissance précise d'un macromodèle de vitesse. <br /><br />Le problème direct associé, la propagation des ondes élastiques, est résolu dans le domaine fréquentiel, permettant la prise en compte efficace d'acquisitions multisources et multirécepteurs, par une méthode numérique de différences finies modélisant la propagation de tous les types d'onde (ondes de volume, de surface, diffractées, réfractées ...). Le stencil de différences finies choisi permet simule précisément la surface libre et la propagation des ondes de surface. <br /><br />Cette inversion linéarisée s'appuie sur une méthode de gradient, qui minimise une fonction coût contenant les différences entre données observées et calculées. Deux paramètres sismiques sont reconstruits à partir de sismogrammes verticaux et horizontaux. L'inversion est effectuée des basses fréquences vers les hautes fréquences, introduisant des longueurs d'onde de plus en plus courtes dans les images des paramètres. Ces dernières sont sensibles au choix des approximations physiques effectuées pour calculer le gradient de la fonction coût (approximation de Born ou de Rytov), au dispositif d'acquisition, au préconditionnement des données et au choix des paramètres inversés. <br /><br />Cette méthode est ensuite appliquée à des milieux contenant une surface libre. La surface libre est une interface très contrastée qui donne lieu à des ondes de surface très énergétiques dans les sismogrammes. Les milieux de subsurface sont complexes, les ondes qui s'y propagent subissent des réflexions ou diffractions multiples. Lorsque le milieu contient deux anomalies dont le contraste en vitesse vaut $20 \%$, l'inversion les localise correctement dans un macromodèle connu. Les images sont améliorées et l'amplitude des anomalies est très bien reconstruite lorsque le nombre de fréquences inversées augmente et les données sont sélectionnées des faibles déports vers les grands déports. Avec une anomalie fortement contrastée comme une cavité vide, l'inversion retrouve correctement la position, la forme et la taille de l'objet mais son amplitude est sous-estimée.<br /><br />L'application à des données réelles verticales de subsurface acquises dans un milieu complexe contenant une cavité maçonnée montre que le milieu hétérogène issu de l'inversion ajuste mieux les données et permet de bien reproduire les ondes inversées. Néanmoins, la cavité n'est pas imagée.

La variation spatiale du mouvement sismique a des effets significatifs sur la réponse dynamique des structures de génie civil de grandes dimensions. Dans la pratique courante, l'excitation du mouvement sismique le long de la fondation de la structure est considérée uniforme, approche cependant inadéquate pour les structures de large portance au sol localisées à proximité des failles ou sur des sites présentant une structure du sous-sol latéralement hétérogène. Cette thèse se propose donc de comprendre les facteurs clefs contrôlant localement la variabilité spatiale du mouvement sismique, avec en ligne de mire la mise en place de recommendations en vue d'incorporer ces effets dans l'estimation de l'aléa sismique et le dimensionnement des structures. La première partie de cette thèse s'intéresse à la composante intra-évènement de l'écart-type de la distribution du mouvement sismique en champ proche à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique pour des sources étendues présentnat une cinématique de rupture réaliste. Les résultats suggèrent que la variabilité intra-évènement dépend significativement du type de rupture, cette variabilité augmentant avec la distance pour les ruptures bilatérales et diminuant pour les ruptures unilatérales. La seconde partie traite de la caractérisation de la composition du champ d'onde dans la vallée de Koutavos-Argostoli, qui est une vallée de petite dimension et d'épaisseur sédimentaire faible, située sur l'île – sismiquement active - de Céphalonie en Grèce. Les champs d'onde générés par 46 séismes, ayant des magnitudes variant entre 2 et 5 et des distances épicentrales jusqu'à 200 km, ont été analysés à partir de l'enregistrement par deux réseaux denses de capteurs sismologiques. L'algorithme de traitement d'antenne MUSIQUE est utilisé pour extraire la vitesse, l'azimut, le type et la polarisation des ondes dominantes se propageant à travers le réseau. Les résultats montrent clairement d'importantes diffractions d'ondes de surface aux bords de vallée au-delà de la fréquence de résonance de la vallée. Tandis que les ondes de Love dominent clairement le champ d'ondes proche de la fréquence de résonance, les ondes de Rayleigh dominent à plus haute fréquence dans des gammes de fréquences étroites. Par ailleurs, un excellent accord est observé entre les champs d'onde de surface diffractés localement et les caractéristiques d'amplification du site. La “cohérence décalée” de la partie la plus énergétique du signal a été quantifiée pour chaque paire de stations du réseau. En général, la cohérence calculée sur les composantes horizontales diminue avec la distance entre stations et la fréquence. La cohérence sur la composante verticale indique des valeurs relativement fortes à haute fréquence. Les valeurs de cohérence apparaissent très faiblement corrélées à la magnitude, l'azimut et la distance épicentrale du séisme, mais sont au contraire liées aux caractéristiques géométriques de la vallée. La coherence est systématiquement plus forte pour les couples de capteurs orientés selon la direction parallèle à l'axe de la vallée, et moins forte pour des couples de capteurs orientés dans la direction perpendiculaires. Cette observation est en accord avec les résultats du traitement d'antenne: la prédominance d'ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée conduit à des mouvements en phase le long de la direction parrallèle à l'axe de la vallée. Les résultats de cette thèse apporte des elements de compréhension sur la variabilité spatiale du movement sismique et ouvrent de nombreuses perspectives d'application. / Spatial variation of earthquake ground motion over short distances significantly affects the dynamic response of engineered structures with large dimensions. In current practices, the ground motion excitation across the foundation of a structure is assumed to be spatially uniform, which becomes inadequate for spatially extended structures in the near-fault region or on sites with lateral inhomogeneity. This PhD thesis seeks to understand the key parameters that locally control the ground motion spatial variability with the intent of putting forth practical propositions for incorporating such effects in seismic design and hazard assessment. The first part of the thesis addresses the within-event component of the standard deviation of ground-motion distribution in near source region by means of numerical simulation of ground motions for extended sources with realistic rupture kinematics. The results suggest that the within-event variability significantly depends on the rupture type, depicting an increase with distance for bilateral ruptures and a decrease for unilateral ruptures. The second part deals with the characterization of seismic wave field at the Koutavos-Argostoli site, a small-size, shallow, alluvial valley located in the seismically active Cephalonia Island in Western Greece. The seismic wave field was investigated from the recordings of a dense seismological array for a set of 46 earthquakes, with magnitude 2 to 5 and epicentral distance up to 200 km. The MUSIQUE array analysis algorithm was used to extract the phase velocity, back-azimuth, type and polarization of the dominant waves crossing the array. The results clearly indicate dominant scattering of seismic surface waves, mainly from the valley-edge directions, beyond the fundamental frequency of the valley. While Love surface waves clearly dominate the wave field close to the resonance frequency, Rayleigh waves strongly dominate only in relatively narrow frequency bands at higher frequency. Besides, an excellent consistency is observed between the dominance of the identified surface wave type in the wave field and the site amplification. The "lagged coherency" of the most energetic part of the ground motion has been quantified for each station-pair within the array. In general, spatial coherency estimated from the horizontal components exhibit decays with frequency and interstation distance. Estimates from the vertical component exhibit rather larger values at some higher frequencies. Although coherency does not show any consistent trend indicating dependence on the magnitude, back-azimuth or site-to-source distance of the event, it seems to be primarily controlled by the site geometry. Larger coherency is systematically observed when the station pair is oriented parallel to the valley axis, while lower values are observed in the perpendicular direction. This observation proves to be consistent with the MUSIQUE analysis results: the predominance of scattered surface waves propagating across the valley implies an in-phase motion along valley-parallel direction and out-of-phase motion along valley-perpendicular direction. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of spatial variability of ground motion and improving the coherency models used in engineering. This work also opens up new insights and many questions in need of further investigation.

La variation spatiale du mouvement sismique a des effets significatifs sur la réponse dynamique des structures de génie civil de grandes dimensions. Dans la pratique courante, l'excitation du mouvement sismique le long de la fondation de la structure est considérée uniforme, approche cependant inadéquate pour les structures de large portance au sol localisées à proximité des failles ou sur des sites présentant une structure du sous-sol latéralement hétérogène. Cette thèse se propose donc de comprendre les facteurs clefs contrôlant localement la variabilité spatiale du mouvement sismique, avec en ligne de mire la mise en place de recommendations en vue d'incorporer ces effets dans l'estimation de l'aléa sismique et le dimensionnement des structures. La première partie de cette thèse s'intéresse à la composante intra-évènement de l'écart-type de la distribution du mouvement sismique en champ proche à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique pour des sources étendues présentnat une cinématique de rupture réaliste. Les résultats suggèrent que la variabilité intra-évènement dépend significativement du type de rupture, cette variabilité augmentant avec la distance pour les ruptures bilatérales et diminuant pour les ruptures unilatérales. La seconde partie traite de la caractérisation de la composition du champ d'onde dans la vallée de Koutavos-Argostoli, qui est une vallée de petite dimension et d'épaisseur sédimentaire faible, située sur l'île – sismiquement active - de Céphalonie en Grèce. Les champs d'onde générés par 46 séismes, ayant des magnitudes variant entre 2 et 5 et des distances épicentrales jusqu'à 200 km, ont été analysés à partir de l'enregistrement par deux réseaux denses de capteurs sismologiques. L'algorithme de traitement d'antenne MUSIQUE est utilisé pour extraire la vitesse, l'azimut, le type et la polarisation des ondes dominantes se propageant à travers le réseau. Les résultats montrent clairement d'importantes diffractions d'ondes de surface aux bords de vallée au-delà de la fréquence de résonance de la vallée. Tandis que les ondes de Love dominent clairement le champ d'ondes proche de la fréquence de résonance, les ondes de Rayleigh dominent à plus haute fréquence dans des gammes de fréquences étroites. Par ailleurs, un excellent accord est observé entre les champs d'onde de surface diffractés localement et les caractéristiques d'amplification du site. La “cohérence décalée” de la partie la plus énergétique du signal a été quantifiée pour chaque paire de stations du réseau. En général, la cohérence calculée sur les composantes horizontales diminue avec la distance entre stations et la fréquence. La cohérence sur la composante verticale indique des valeurs relativement fortes à haute fréquence. Les valeurs de cohérence apparaissent très faiblement corrélées à la magnitude, l'azimut et la distance épicentrale du séisme, mais sont au contraire liées aux caractéristiques géométriques de la vallée. La coherence est systématiquement plus forte pour les couples de capteurs orientés selon la direction parallèle à l'axe de la vallée, et moins forte pour des couples de capteurs orientés dans la direction perpendiculaires. Cette observation est en accord avec les résultats du traitement d'antenne: la prédominance d'ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée conduit à des mouvements en phase le long de la direction parrallèle à l'axe de la vallée. Les résultats de cette thèse apporte des elements de compréhension sur la variabilité spatiale du movement sismique et ouvrent de nombreuses perspectives d'application. / Spatial variation of earthquake ground motion over short distances significantly affects the dynamic response of engineered structures with large dimensions. In current practices, the ground motion excitation across the foundation of a structure is assumed to be spatially uniform, which becomes inadequate for spatially extended structures in the near-fault region or on sites with lateral inhomogeneity. This PhD thesis seeks to understand the key parameters that locally control the ground motion spatial variability with the intent of putting forth practical propositions for incorporating such effects in seismic design and hazard assessment. The first part of the thesis addresses the within-event component of the standard deviation of ground-motion distribution in near source region by means of numerical simulation of ground motions for extended sources with realistic rupture kinematics. The results suggest that the within-event variability significantly depends on the rupture type, depicting an increase with distance for bilateral ruptures and a decrease for unilateral ruptures. The second part deals with the characterization of seismic wave field at the Koutavos-Argostoli site, a small-size, shallow, alluvial valley located in the seismically active Cephalonia Island in Western Greece. The seismic wave field was investigated from the recordings of a dense seismological array for a set of 46 earthquakes, with magnitude 2 to 5 and epicentral distance up to 200 km. The MUSIQUE array analysis algorithm was used to extract the phase velocity, back-azimuth, type and polarization of the dominant waves crossing the array. The results clearly indicate dominant scattering of seismic surface waves, mainly from the valley-edge directions, beyond the fundamental frequency of the valley. While Love surface waves clearly dominate the wave field close to the resonance frequency, Rayleigh waves strongly dominate only in relatively narrow frequency bands at higher frequency. Besides, an excellent consistency is observed between the dominance of the identified surface wave type in the wave field and the site amplification. The "lagged coherency" of the most energetic part of the ground motion has been quantified for each station-pair within the array. In general, spatial coherency estimated from the horizontal components exhibit decays with frequency and interstation distance. Estimates from the vertical component exhibit rather larger values at some higher frequencies. Although coherency does not show any consistent trend indicating dependence on the magnitude, back-azimuth or site-to-source distance of the event, it seems to be primarily controlled by the site geometry. Larger coherency is systematically observed when the station pair is oriented parallel to the valley axis, while lower values are observed in the perpendicular direction. This observation proves to be consistent with the MUSIQUE analysis results: the predominance of scattered surface waves propagating across the valley implies an in-phase motion along valley-parallel direction and out-of-phase motion along valley-perpendicular direction. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of spatial variability of ground motion and improving the coherency models used in engineering. This work also opens up new insights and many questions in need of further investigation.

Les projets géotechniques deviennent de plus en plus complexes et il s’avère alors nécessaire de caractériser de manière complète le comportement du sol dans les différentes plages de déformations sollicitées par le projet. Cependant les moyens mis en place lors de ces études sont souvent limités à quelques essais ponctuels lesquels ne donnent pour la plupart qu’une information liée à la résistance du terrain. Afin de caractériser de manière complète le comportement du sol avec la déformation, ce travail expose une étude détaillée de l’évolution du module de cisaillement avec la déformation en utilisant les méthodes d’ondes de surface, les essais géotechniques de laboratoire de mécanique des sols et les essais géotechniques in situ au pressiomètre. Des essais plus sophistiqués tels que l’essai à la colonne résonnante étau triaxial cyclique ont été aussi utilisés dans ce cadre. Le programme expérimental a permis de déterminer que le comportement du sol est non linéaire avec la déformation. Les observations réalisées ont permis de pouvoir proposer une démarche de caractérisation du comportement du sol en cas de disposition d’une information partielle. Ce mémoire de thèse présente une synthèse des données collectées par différents types d’essais in situ et en laboratoire qui ont permis de décrire l’évolution du module de cisaillement dans les différentes plages de déformations / The difficulty of dealing with complex geotechnical projects implies the necessity to determine adequately soil’s behaviour with strain’s increase. The information provided for these geotechnical studies mostly concerns soil’s in situ resistance and it is only punctual. In order to fully characterize soil’s behaviour with strains, this work exposes a detailed study of the shear modulus evolution with increasing strain by using surface waves methods, geotechnical laboratory tests such as soil mechanics tests and geotechnical in situ tests such as pressure meter test. More sophisticated tests such as resonant column test and cyclic triaxial test have been also used for this purpose. The experimental program described soil behaviour as being nonlinear. This observed behaviour permitted to propose an approach of characterizing the behaviour of soil incase if the needed information is only partial. This thesis manuscript presents a data synthesis of different types of in situ and laboratory tests which allowed describing soil shear modulus evolution for different ranges of deformation

Cette thèse est consacrée au développement de dispositifs accordables sur la base de cristaux photoniques unidimensionnels qui peuvent supporter des ondes de surface de Bloch (BSW). Tout d'abord, nous explorons les possibilités de contrôler la direction de propagation des BSW par le biais de la polarisation de la lumière incidente. Dans ce cas, nous gravons sur le dessus du cristal photonique 1D des structures passives de type réseau, qui permettent à la fois de coupler la lumière incidente aux BSWs et de se comporter comme une lame séparatrice ultracompacte contrôlée par la polarisation lumineuse. Nous avons testé ce type de coupleur sur des cristaux photoniques 1D fonctionnant dans l’air et dans l’eau. Ensuite, nous démontrons l'accordabilité des BSWs en ajoutant une fine couche active dans la structure photonique multicouche. Il s’agit d’un film mince de niobate de lithium monocristallin qui permet d’introduire des propriétés anisotropes dans le cristal photonique 1D. Différentes façons de fabriquer des cristaux photoniques 1D contenant du niobate de lithium monocristallin ont été développées dans le cadre de ce travail. Ces travaux nous ont permis d’explorer le concept de contrôle électro-optique des BSWs. / This thesis is devoted to develop tunable devices on the base of one-dimensional photonic crystals (1DPhC) which can sustain Bloch surface waves (BSWs).First, we explore the possibilities to control the BSW propagation direction with polarization of incident light. In this case we manufacture additional passive structures such as gratings on the top of the 1DPhC, which are working both as a BSW launcher and polarization–controlled “wave-splitters”. We test this type of launcher in air and in water as an external medium. Then, we demonstrate the tunability of the BSW by adding an active layers into the multilayer stack. Here a crystalline X-cut thin film lithium niobate (TFLN) is used to introduce anisotropic properties to the whole 1DPhC. Different ways to manufacture 1D PhCs with LiNbO3 on the top would be described. Finally, we explore the concept of the electro-optically tuned BSW.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement d'un système d'imagerie ultrasonore fonctionnant dans l'air pour la mesure sans contact des mouvements vibratoires en surface du corps humain. L'étude des vibrations en surface de la peau ouvre plusieurs champs d'application. L'observation de la vitesse d'une onde de surface sur la peau à partir du film de propagation permet de caractériser l'élasticité de la couche superficielle ainsi que ses hétérogénéités. A partir de cette analyse, il est possible de détecter des objets cachés sur ou sous la peau, dans un objectif de sécurité. Une seconde application est l'observation des vibrations de surface engendrées par le battement cardiaque, la respiration et l'onde de pouls. La réalisation d'un premier dispositif monovoie a permis la mesure locale de vibrations de l'ordre de la dizaine de microns. A partir de ces premiers travaux, nous avons construit un imageur ultrasonore 2D dans l'air à haute cadence d'imagerie. Il est constitué d'un réseau carré de 256 microphones et de 12 émetteurs. La principale nouveauté de notre approche repose sur l'imagerie d'une surface spéculaire. En effet, la rugosité de la peau est négligeable comparée aux longueurs d'onde de travail, de l'ordre du centimètre pour limiter l'atténuation dans l'air. Pour répondre à cette contrainte, l'imagerie est réalisée à partir de la formation de voies émission/réception par synthèse d'ouverture en utilisant une émission séquentielle d'ondes sphériques. Après caractérisation du système, nous avons imagé la propagation d'une onde de surface sur un fantôme mimant le corps humain et l'interférence de cette onde avec un objet étranger. Une seconde version de l'imageur 2D, constituée de 36 émetteurs, a permis la mesure de la déformation du thorax lors du battement cardiaque ainsi que la propagation de l'onde de pouls au niveau de la carotide. / The aim of the work presented in this dissertation is to develop an airborne ultrasonic system for the contactless measurement of vibrations on the human body surface. The vibration study of the skin surface opens several application fields. The visualization of the surface wave velocity on the skin from the propagation movie allows to characterize the superficial layer elasticity as well as its heterogeneities. From this analysis, objects hidden on or under the skin can be detected for a security purpose. A second application is the observation of the surface vibrations generated by the heartbeat, respiration and pulse wave.The implementation of a first single-channel device allowed the local measurement of vibrations about ten microns order. From this initial work, we developed a 2D airborne ultrasonic imager with high frame rate. It is composed by a 256 microphones square array and by 12 piezoelectric transducers. The main innovation of our approach is the specular surface imaging. Indeed, the skin roughness is negligible compared to the working wavelength, of the centimeter order to limit the air attenuation. To resolve this issue, the imaging process is carried out with an emission/reception beamforming using synthetic aperture and achieved by a sequential emission of spherical waves.After the system characterization, we imaged the surface wave propagation on a phantom mimicking the human body and the interference between this wave and a foreign object. A second version of the 2D imager, composed by 36 emitters, was applied to measure the deformation of the thorax during the heartbeat as well as the pulse wave propagation in the carotid artery.

Dans un avenir proche, les dispositifs de détection médicaux miniaturisés en temps réels (lab-on-chip) seront au centre de la révolution des méthodes de diagnostics médicaux et d’identification des processus biologiques et cela, autant au niveau clinique qu’au niveau de la recherche. Pour y arriver, il est important de développer des chimies de surface stables et spécifiques, ce qui demande une compréhension des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Pour bien comprendre ces interactions, il est important de développer des instruments adaptés à la mesure près de l’interface liquide/solide des différentes caractéristiques à identifier. Ce projet de recherche présente la conception, la fabrication et les expériences tests d’un capteur multimodal pour l’identification de processus biologiques à l’interface basés sur des technologies de résonance des plasmons de surface (SPR) et de microcalorimérie. Ces deux technologies mises ensemble vont permettre d’effectuer des mesures de la cinétique des interactions ainsi que des caractéristiques thermodynamiques. En premier lieu, les caractéristiques d’une interaction intermoléculaire à l’interface d’une réaction d’hybridation d’ADN furent définies afin d’en déduire un cahier des charges pour les transducteurs. Suite à cela, la conception des transducteurs microcalorimétrique et SPR furent réalisés en tenant compte des contraintes de chacun des transducteurs. Suite à la conception théorique des différentes parties du capteur, un procédé de fabrication compatible avec les méthodes de fabrication standard de la microélectronique fut défini et testé. Afin de s’assurer de la fonctionnalité des dispositifs ainsi fabriqués, des tests de fonctionnalisation de surface furent appliqués sur les échantillons afin de tester la compatibilité du procédé de fonctionnalisation avec les méthodes de fabrication et avec une chimie de surface type. Pour terminer, un système de mélange actif fut testé et caractérisé avec le dispositif de microcalorimétrie afin de s’assurer qu’il était possible de mélanger les fluides avec les produits biologiques pour s’assurer de la qualité de la réaction de surface. Le système développé pourra être utilisé pour effectuer la mesure d’hybridation d’ADN à l’interface. Le système intègre deux modalités permettant la caractérisation en temps réel des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Ce type de système permet la mesure de la cinétique de différents modèles biologiques tels que les puces à sucre encore certains récepteurs cellulaires ou la mesure de conformation moléculaire à l’interface. Des mesures d’oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase sont montrées. / To begin with, the characteristics of a DNA hybridization intermolecular interaction at the interface were defined in order to deduce the specifications for our transducers. Following this, the SPR and microcalorimetric transducer will be design by taking into account the constraints of each one. Following the theoretical design of the sensor, a manufacturing process compatible with standard methods of microelectronics manufacturing was tested and identified. To ensure the functionality of the devices, a test of surface functionalization on the sensor was applied to test the compatibility of the manufacturing process with the surface functionalization methods. Finally, a system of active mixing was tested and characterized with a microcalorimetric device to ensure it was possible to mix fluids with organic products to be sure of the quality of the surface reaction. The system developed can be used to mesure DNA hybridization at the interface. This system incorporates two modalities for real-time characterization of intermolecular interactions near the solid/liquid interface. This type of system allows the kinetic measurement of different biological models such as cellular receptors or it is possible to have some molecular measure conformation near the interface. Oxidation of glucose with the enzyme glucose oxidase was shown to present the possibility to measure a biological interaction.

La caractérisation et le monitoring des ressources en eau souterraine et des processus d'écoulement et de transport associés reposent principalement sur la mise en place de forages (piézomètres). Mais la variété des échelles auxquelles se déroulent ces processus et leur variabilité dans l'espace et dans le temps limitent l'interprétation des observations hydrogéologiques. Dans un tel contexte, l'hydrogéophysique fait appel aux méthodes de prospection géophysique afin, notamment, d'améliorer la très faible résolution spatiale des données de forage et de limiter leur caractère destructif. Parmi les outils géophysiques appliqués à l'hydrogéologie, les méthodes sismiques sont régulièrement utilisées à différentes échelles. Mais la réponse sismique dans le contexte de la caractérisation des aquifères reste complexe. L'interprétation des vitesses estimées est souvent délicate à cause de leur variabilité en fonction de la lithologie de l'aquifère (paramètres mécaniques intrinsèques et géométrie des milieux poreux le constituant, influence du degré de saturation, etc). La perméabilité du milieu a également un effet sur la géométrie d'un réservoir hydrologique dont les contours peuvent varier en espace comme en temps, compliquant ainsi l'interprétation des données sismiques.Les géophysiciens cherchent à pallier ces limites, notamment à travers l'étude conjointe des vitesses (Vp et Vs) des ondes compression (P) et de cisaillement (S), dont l'évolution est par définition fortement découplée en présence de fluides. D'un point de vue théorique, cette approche se révèle appropriée à la caractérisation de certains aquifères, en particulier grâce à l'estimation des rapports Vp/Vs ou du coefficient de Poisson. L'évaluation de ces rapports peut être pratiquée de manière systématique grâce à la tomographie sismique en réfraction en utilisant parallèlement ondes P et S. Mais d'un point de vue pratique, la mesure de Vs reste délicate à mettre en oeuvre car les ondes S sont souvent difficiles à générer et à identifier sur les enregistrements sismiques. Une alternative est proposée par l’estimation indirecte de Vs à partir de l’inversion de la dispersion des ondes de surface, réalisée à partir de mesures de la vitesse des ondes de surface contenues dans les enregistrements sismiques classiques. Bien que généralement proposée pour la caractérisation de milieux 1D, la prospection par ondes de surface peut être déployée le long de sections linéaires dans le but de reconstruire un modèle 2D de distribution des Vs du sous-sol.Une méthodologie a été mise au point afin d'exploiter simultanément et de façon optimale les ondes P et les ondes de surface à partir des mêmes enregistrements sismiques. Lors de sa mise en oeuvre sur le terrain, cette acquisition « en ondes P » a été systématiquement suivie d'une acquisition « en ondes SH » afin de comparer les vitesses Vs obtenues par analyse de la dispersion des ondes de surface et par tomographie en ondes SH. L'utilisation de cette méthodologie dans différents contextes géologiques et hydrogéologiques a permis d'estimer les variations latérales et temporelles du rapport Vp/Vs, en bon accord avec les informations géologiques a priori et les données géophysiques et piézométriques existantes. L'utilisation de l'interférométrie laser a également permis de mettre ces techniques de traitement en application sur des modèles physiques parfaitement contrôlés afin d'étudier la propagation des ondes élastiques dans des « analogues » réalistes de milieux poreux partiellement saturés. / Characterisation and monitoring of groundwater resources and associated flow and transport processes mainly rely on the implementation of wells (piezometers). The interpretation of hydrogeological observations is however limited by the variety of scales at which these processes occur and by their variability in space and in time. In such a context, using geophysical methods often improves the very low spatial resolution of borehole data and limits their destructive nature. Among the geophysical tools applied to hydrogeology, seismic methods are commonly used at different scales. However, the seismic response in the context of aquifer characterisation remains complex. The interpretation of the estimated velocities is often difficult because of their variability depending on the aquifer lithology (intrinsic mechanical parameters and geometry of the constituting porous media, influence of the degree of saturation, etc). The permeability of the medium also affects the geometry of a hydrological reservoir whose contours may vary in space and in time, thus complicating the interpretation of seismic data. Geophysicists seek to overcome these limitations, especially through the joint study of compression (P-) and shear (S-) wave velocities (Vp and Vs), whose evolution is by definition highly decoupled in the presence of fluids. From a theoretical point of view, this approach proves suitable for the characterisation of aquifers, especially by estimating Vp/Vs or Poisson's ratio. The evaluation of these ratios can be systematically carried out with seismic refraction tomography using both P- and S-waves. However, retrieving Vs remains practically delicate because S-waves are usually difficult to generate and identify on seismic records. As an alternative, indirect estimation of Vs is commonly achieved thanks to surface-wave dispersion inversion, carried out from measurements of surface waves phase velocities contained in typical seismic records. Although it is usually proposed for the characterisation of 1D media, surface-wave prospecting can be deployed along linear sections in order to build 2D models of Vs distribution in the ground. A specific methodology has been developed for the combined and optimised exploitation of P- and surface waves present on single seismic records. When deployed on the field, this "P-wave" acquisition has been systematically followed by a "SH-wave" acquisition in order to compare Vs models obtained from surface-wave dispersion analysis and SH-wave refraction tomography. The use of this methodology in several geological and hydrogeological contexts allowed for estimating Vp/Vs ratio lateral and temporal variations in good agreement with a priori geological information and existing geophysical and piezometric data. Laser-based ultrasonic techniques were also proposed to put these processing techniques in practice on perfectly controlled physical models and study elastic wave propagation in partially saturated porous media.

Bien qu'ayant suscité de nombreuses études sur le sujet, un certain nombre de questions à propos de la formation des vagues sous l'effet du vent restent sans réponse précise. Dans ma thèse, j'aborde ce problème selon une approche peu explorée : l'étude expérimentale de la déformation sous l'effet du vent de la surface d'un liquide fortement visqueux. En effet, contrairement à la majeure partie de la littérature sur le sujet, le liquide que j'utilise n'est pas de l'eau mais un liquide sensiblement plus visqueux. Indépendamment des questions fondamentales sous-jacentes, cela a en pratique l'avantage de simplifier le problème. En effet, du fait de la forte viscosité du liquide, l'écoulement dans le liquide reste laminaire et les perturbations de l'interface qui ne sont pas amplifiées ne peuvent se propager que sur une distance limitée. Pour observer ces déformations de l'interface liquide-air, j'ai développé un nouveau montage expérimental sur lequel a été mise en œuvre la méthode de visualisation Free Surface Synthetic Schlieren. Cette technique non intrusive a permis de mesurer avec une résolution micrométrique les amplitudes de déformations de la surface et d'accéder aux premières déformations à faible vitesse de vent. Dans un premier temps, les expériences furent conduites sur un liquide trente fois plus visqueux que l'eau. Grâce aux données expérimentales obtenues par FS-SS, deux régimes de déformation de l'interface liquide-air ont été mis en évidence. A vitesse de vent faible, l'interface est recouverte de "wrinkles", des perturbations de faible amplitude désorganisées spatialement et globalement alignées dans le sens de l'écoulement. Ces wrinkles peuvent être interprétés comme l'effet sur l'interface des fluctuations de pression de l'écoulement turbulent d'air. A plus forte vitesse, au-dessus d'une vitesse critique, apparaissent des vagues transverses quasi-parallèles entre elles et perpendiculaire à la direction du vent. Les distinctions entre les deux régimes ont été détaillées et les non-linéarités émergeant au-dessus du seuil ont aussi été étudiées. Par la suite, la viscosité du liquide a été changée sur une large gamme. Il ressort des expériences que les deux régimes de déformation de l'interface sous l'effet du vent peuvent être identifiés pour l'ensemble des viscosités parcourues. Suite à ces résultats, un modèle décrivant l'évolution de l'amplitude des wrinkles en fonction du vent et de la viscosité du liquide a été développé. / Despite numerous studies on the subject, the development of waves under the action of wind still retains a certain number of open questions. In my PhD, I approach this problem through a fairly uncommon angle: the experimental study of the deformation by wind of the surface of a highly viscous liquid. Indeed, contrary to the major part of the literature on the matter, the liquid I used is not water but a significantly more viscous liquid. Regardless of the fundamental underlying questions, this has the practical advantage of simplifying the problem. Indeed, due to the high viscosity of the liquid, the flow in the liquid stays laminar and the unamplified perturbations of the interface can only propagate over a limited distance. To observe these deformations at the liquid-air interface, I have developed a new experimental set-up upon which the Free Surface Synthetic Schlieren method of visualization was implemented. This non-intrusive technique allowed to measure with a micrometric accuracy the amplitude of the surface deformation and to access the first deformations at low wind velocity. First, experiments were conducted over a liquid thirty times more viscous than water. The experimental data obtained by FS-SS show two regimes of deformation of the liquid-air interface. At low wind velocity, the interface is populated with ``wrinkles'', small-amplitude streamwise spatially disorganized perturbations. These wrinkles can be interpreted as the effect on the interface of the pressure fluctuations in the turbulent wind. At higher windspeed, above a critical velocity, transverse waves appear with quasi-parallel crests perpendicular to the wind direction. The distinctions between the two regimes have been detailed and the nonlinearities emerging above the threshold have also been studied. Then, the viscosity of the liquid has been changed over a large range. It results from the experiments that the two regimes of surface deformation by wind can be identified for all the viscosities explored. Following these results, a model was developed to account for the evolution of the wrinkles' amplitude both with wind velocity and with viscosity.

La structure lithosphérique profonde a été étudiée dans deux zones de convergence : la zone de subduction de la mer Egée et la zone de collision en Iran. Pour obtenir des contraintes sur la structure lithosphérique, nous avons analysé des ondes de surface enregistrées sur des réseaux temporaires large-bande installés dans ces zones. Dans la mer Egée, les quatre coupes de vitesse des ondes S obtenues montrent une anomalie de vitesse rapide associée au slab subductant. Une anomalie de vitesse lente de 4% est observée dans la partie nord de la région, à 100-150 km de profondeur. La position de cette anomalie correspond à une zone de déformation rapide en surface, qui semble être liée à des processus profonds dans le manteau. Dans la deuxième zone d'étude, nous avons constaté des vitesses lentes et une lithosphère amincie sous l'Iran central. Ces résultats peuvent être expliqués par une remontée de l'asthénosphère et l'érosion thermique de la lithosphère dans cette région