Cette thèse est consacrée à une analyse approfondie de la capacité des "réseaux de neurones artificiels" (RNA) à la prédiction des mouvements sismiques. Un premier volet important concerne la dérivation par RNA de "GMPE" (équations de prédiction du mouvement du sol) et la comparaison des performances ainsi obtenues avec celles des GMPE "classiques" obtenues sur la base de régressions empiriques avec une forme fonctionnelle préétablie (plus ou moins complexe). Pour effectuer l’étude comparative et obtenir les deux composnates inter-événement « betweeen-event » et intra-événement « within-event » de la variabilité aléatoire, nous intégrons l’algorithme du « modèle à effets aléatoires » à l’approche neuronale. Cette approche est testée sur différents jeux de données réelles et synthétiques : la base de données compilée à partir d'événements européens, méditerranéens et du Moyen-Orient (RESORCE : Reference database for Seismic grOund-motion pRediction in Europe), la base de données NGA-West 2 (Next Generation Attenuation West 2 développée aux USA), la base de données japonaise dérivée du réseau accélérométrique KiK-net. En outre, un set de données synthétiques provenant d'une approche par simulation stochastique est utilisé. Les paramètres du mouvement du sol les plus utilisés en génie parasismique (PGA, PGV, spectres de réponse et également, dans certains cas, les fonctions d'amplification locales) sont considérés. Les modèles neuronaux ainsi obtenus, complètement dirigés par les données « data-driven », nous renseignent sur les influences respectives et éventuellement couplées de l’atténuation avec la distance, de l'effet d’échelle lié à la magnitude, des conditions de site et notamment la présence éventuelle de non-linéarités. Un autre volet important est consacré à l'utilisation des RNA pour tester la pertinence de différents proxies de site, au travers de leur capacité à réduire la variabilité aléatoire des prédictions de mouvement du sol. Utilisés individuellement ou en couple, ces proxies de site décrivent de manière plus ou moins détaillée l'influence des conditions de site locales sur le mouvement sismique. Dans ce même volet, nous amorçons également une étude des liens entre les aspects non-linéaire de la réponse de site, et les différents proxies de site. Le troisième volet se concentre sur certain effets liés à la source : analyse de l’influence du style de la faille sismique sur le mouvement du sol, ainsi qu'une approche indirecte de la dépendance entre la magnitude et la chute de contrainte sismique. / This thesis is devoted to an in-depth analysis of the ability of "Artificial Neural Networks" (ANN) to achieve reliable ground motion predictions. A first important aspect concerns the derivation of "GMPE" (Ground Motion Prediction Equations) with an ANN approach, and the comparison of their performance with those of "classical" GMGEs derived on the basis of empirical regressions with pre-established, more or less complex, functional forms. To perform such a comparison involving the two "betweeen-event" and "within-event" components of the random variability, we adapt the algorithm of the "random effects model" to the neural approach. This approach is tested on various, real and synthetic, datasets: the database compiled from European, Mediterranean and Middle Eastern events (RESORCE: Reference database for Seismic grOund-motion pRediction in Europe), the database NGA West 2 (Next Generation Attenuation West 2 developed in the USA), and the Japanese database derived from the KiK-net accelerometer network. In addition, a comprehensive set of synthetic data is also derived with a stochastic simulation approach. The considered ground motion parameters are those which are most used in earthquake engineering (PGA, PGV, response spectra and also, in some cases, local amplification functions). Such completely "data-driven" neural models, inform us about the respective, and possibly coupled, influences of the amplitude decay with distance, the magnitude scaling effects, and the site conditions, with a particular focus on the detection of non-linearities in site response. Another important aspect is the use of ANNs to test the relevance of different site proxies, through their ability to reduce the random variability of ground motion predictions. The ANN approach allows to use such site proxies either individually or combined, and to investigate their respective impact on the various characteristics of ground motion. The same section also includes an investigation on the links between the non-linear aspects of the site response and the different site proxies. Finally, the third section focuses on a few source-related effects: analysis of the influence of the "style of faulting" on ground motion, and, indirectly, the dependence between magnitude and seismic stress drop.

La première partie de la thèse analyse les relations entre séismes et contraintes. Après un rappel sur la mécanique des milieux continus et son application aux contraintes dans le globe, on présente le calcul des déplacements engendrés par une faille rectangulaire de jeu et de pendage quelconques, dans un demi-espace élastique homogène. La deuxième partie est consacrée à l'étude des doublets sismiques, c'est-à-dire des paires de séismes ayant des formes d'onde identiques. On distingue des doublets temporels, situés au même endroit mais à des dates différentes, et des doublets spatiaux situés à quelque distance l'un de l'autre (au plus quelques centaines de mètres), mais à des dates très rapprochées. L'étude de ces données est fondée sur une analyse interspectrale par fenêtre mobile. Pour une fenêtre donnée, on mesure le délai (décalage en temps) entre les deux signaux en calculant la pente du déphasage en fonction de la fréquence. On calcule aussi la cohérence et le rapport spectral pour chaque fréquence. Le délai est mesuré avec une précision atteignant 1 ms, et ceci en tout point du sismogramme. L'étude porte sur 24 doublets et multiplets (67 séismes au total) situés en Californie centrale, à l'aide d'une soixantaine de stations du réseau CALNET. La relocalisation relative des séismes d'un multiplet est faite avec une précision atteignant 1 mètre. On a pu ainsi démontrer la simplicité et l'unicité locale des plans de faille en profondeur. Le délai mesuré dans la cauda permet de préciser l'origine de celle-ci, profonde pour les stations à l'écart des failles, superficielle pour les stations à l'aplomb des grandes failles. L'étude des doublets temporels permet de mesurer les variations de vitesse des ondes dans la croate avec une grande précision. Une variation régionale induit un " étirement de sismogramme ". La mesure de ce dernier permet une résolution de 0,01 % de variation de vitesse des ondes S. Les variations ainsi mesurées atteignent 0,4 % dans la région de Hollister et sont attribuées au séisme de Coyote Lake (M=5,6).

Ce travail est une étude détaillée des rapports spectraux de doublets de séismes.Ses objectifs sont l'étude des sources de petits séismes et la mise au point d'une technique de mesure des variations temporelles du facteur de qualité de la coda des séismes, une mesure clef pour les études de prédiction de séismes. La première partie du mémoire est consacrée à l'estimation des erreurs sur le rapport spectral. Cette analyse méthodologique permet de définir les limites d'application de la méthode du rapport spectral, en particulier pour évaluer les variations de Q dans la coda, dans la mesure où la cohérence à haute fréquence est mauvaise pour de grands temps de parcours. La deuxième partie traite de doublets spatiaux et met en évidence de très faibles changements du processus d'ouverture entre les deux séismes. Plusieurs doublets montrent une organisation azimutale des pentes de rapports spectraux des ondes de volume: celle-ci est expliquée par des décalages du point d'initiation de la rupture par rapport aux limites du plan de faille. Des changements de chute de contrainte et du déplacement moyen sont observés dans un autre cas. Il existe des variations du rapport spectral dans la coda de doublets spatiaux. Elles sont expliquées par la rétrodiffraction des ondes de la coda, et l'organisation azimutale des pentes du rapport spectral. Cette observation incite à la prudence en ce qui concerne l'interprétation de variations du rapport spectral dans la coda en terme de changements temporels de l'atténuation dans la croûte supérieure. La troisième partie est consacrée à ce problème de la mesure précise des changements d'atténuation en fonction du temps. De nombreux auteurs insistent sur l'intérêt de cette mesure pour suivre l'ouverture et la fermeture de microfissures dans la croute et pour prédire des séismes. Les doublets temporeIs sont en théorie un outil privilégié pour détecter de très petites variations de l'atténuation dans le milieu. Cependant, même des doublets localisés à quelques mètres de distance peuvent avoir des sources légèrement différentes, la difficulté étant de bien séparer ce qui est dû à la source de ce qui est dû au milieu. Les résultats de ce travail montrent qu'il n'y a pas eu de variations de l'atténuation supérieure à 1 % à l'échelle régionale, malgré l'occurence d'un séisme de magnitude 6. Par contre, les variations du rapport spectral à basse fréquence, localisée dans la région de Hollister où ont été détectée une variation de la vitesse des ondes 5, sont à relier à un Changement local des conditions de la propagation.