La présence de cavités souterraines anthropiques ou naturelles est la cause de nombreux problèmes d'effondrements du sous-sol. La détection et caractérisation de ce type de cavité restent un challenge pour la géophysique du fait de la complexité des milieux de la subsurface. Pour répondre à ce besoin, nous proposons une approche par mesures de sismique active qui se base sur l'étude des effets de la cavité sur les ondes de surface de type Rayleigh. Les limites des différentes méthodologies mises en place à ce jour ne permettent pas de remonter avec précision aux paramètres de la cavité car les interactions entre les ondes de Rayleigh et la cavité sont mal identifiées et non prises en compte. Dans ce cadre, nous cherchons à définir de nouvelles observables sismiques porteuses d’informations en vue de proposer une méthode d’imagerie des cavités souterraines adaptée à la subsurface. Nous utilisons une approche combinée basée sur de la modélisation numérique et expérimentale à échelle réduite. L'analyse des tirs sismiques et des phénomènes associés a permis de définir des observables robustes, basées notamment sur la prise en compte de la composante horizontale. Leur sensibilité est étudiée en fonction des paramètres de la cavité comme son diamètre ou sa profondeur en lien avec la longueur d’onde propagée. Les résultats démontrent ainsi l'importance de la composante horizontale très sensible à la cavité. En effet, l'analyse de l’ellipticité du déplacement particulaire à travers les rapports H/V révèle de fortes perturbations au voisinage de l'hétérogénéité “cavité”. Des acquisitions menées sur le terrain visent à initier des tests de faisabilité en milieu réel. / Many underground collapses are due to the presence of natural and anthropogenic cavities in the subsurface. The detection and characterization of this kind of cavity remain a challenge for geophysical methods, due to the complexity of subsurface media. To address this need, we suggest a method based on active seismic measurements to study the influence of a cavity on surface Rayleigh waves. So far, the different methodologies proposed in the literature are not able to precisely assess the cavity parameters, because the interactions between the void and Rayleigh waves are poorly identified and not taken into account. In this context, we define new seismic observables bearing information, with the aim of suggesting a new underground cavity imaging method suitable for subsurface environments. Our approach combines numerical modelling and reduced scale experimentations. The analysis of seismic recordings and associated phenomena lead us to define robust observables, especially based on the consideration of the horizontal component. Their sensibility is studied as functions of the cavity parameters, such as its diameter or its depth regarding the propagated wavelength. Our results demonstrate the significance of the horizontal component, which is highly sensitive to the presence of an object such as a cavity. Indeed, the analysis of the particular displacement ellipticity through H/V spectral ratios reveals strong perturbations in the vicinity of the heterogeneity caused by a void. In addition, several field data have been carried out and in the aim to initiate feasibility tests in real media.

Téhéran, capitale de l'Iran et ville en pleine expansion démographique comptant déjà environ 8 millions d'habitants, est sous la menace de séismes de magnitude supérieure à 7 sur des failles très proches. L'alea et le risque sismiques y sont donc très élevés et préoccupants, et ont conduits à 'une action de collaboration franco-iranienne sur la tectonique de l'Alborz Central et l'aléa sismique à Téhéran. Dans ce cadre, la présente thèse se focalise sur l'analyse des conditions géotechniques dans l'agglomération de Téhéran, et de leurs conséquences sur les caractéristiques des mouvements sismiques. Dans ce but, une campagne d'enregistrements sismologiques dans l'agglomération a été conduite de février à juin 2002. L'objectif en était la mesure expérimentale des effets d'amplification ou de déamplification du proche sous-sol, dans la perspective, à moyen terme, d'un microzonage sismique à mettre en œuvre par les autorités locales. 13 stations sismologiques ont été installées sur différents sites, choisis en fonction de leur représentativité géotechnique: rocher au nord et à l'Est, sédiments raides dans la partie nord et sédiments plus mous dans la partie sud. En outre, plus de 60 mesures ponctuelles de bruit de fond ont été effectuées pour guider l'interpolation des fonctions de transfert expérimentales obtenues sur les 13 sites. Une premier volet de ce travail a consisté à analyser ces enregistrements en relation avec les caractéristiques géotechniques, au moyen de différentes techniques de traitement visant à l'estimation des effets de site en amplitude et en durée: rapport spectral site/référence; fonction récepteur ou rapport H/V séismes; rapport spectral horizontal/vertical sur le bruit de fond; délai de groupe et sonogramme. Ces traitements ont mis en évidence un effet d'amplification important tant en amplitude qu'en durée sur la plupart des sites considérés et particulièrement au sud-ouest de la ville où le niveau d'amplification atteint jusqu'à 7-8 contrastant aussi avec les valeurs modérées (facteur 2 à 3) prédites dans les études précédentes avec une approche 1D. De plus cette amplification se produit sur une gamme de fréquence très large, démarrant à très basse fréquence (0.3-0.4 Hz). Cette thèse comporte également une comparaison systématique des informations déduites du bruit de fond à celles déduites des enregistrements de séismes, intégrant d'autres données en provenance de plus de 150 sites européens. Cette comparaison montre que malgré la capacité de la méthode H/V à prédire la fréquence fondamentale dans environ 80% des cas, il y a des échecs, notamment dans le cas de Téhéran où les courbes H/V restent plates pour la plupart des sites. Elle met aussi en évidence les fortes différences entre l'amplitude du pic H/V et l'amplification réelle: si la première est quasi-systématiquement inférieure à la seconde, il semble aussi que ces différences soient d'autant plus importantes que l'on s'éloigne d'une stratification horizontale (effets "de vallée"). Enfin le dernier aspect a concerné à la simulation des mouvements forts par la méthode de fonction de Green empirique. Quatre scénarios différents, correspondant à l'occurrence de séismes forts sur les failles de Mosha, Nord-Alborz et Garmsar ont été simulés. Pour ces trois failles un séisme de magnitude Mw = 7.1 est considéré comme le séisme cible; pour la dernière un séisme de magnitude Mw = 7.6 a été aussi envisagé. Les résultats montrent les valeurs d'accélérations maximales assez significatives et des spectres de réponse dépassant parfois le spectre réglementaire actuellement en vigueur, principalement à cause des effets d'amplification.

Les conditions locales de sol sont un des facteurs influençant le mouvement du sol lors d'un séisme. Cette thèse se propose de déterminer l'effet de ces conditions locales dans le cas de topographies et de vallées sédimentaires. Nous avons ainsi utilisé trois jeux de données acquis dans des contextes différents, que nous avons analysé par des méthodes expérimentales : les rapports spectraux par rapport à une station de référence, les rapports spectraux entre les composantes horizontales et verticales calculés sur des enregistrements sismiques et sur le bruit de fond. Nous avons aussi utilisé la méthode de fonctions de Green empiriques pour simuler le mouvement du sol lors d'un séisme majeur ainsi que des méthodes numériques pour calculer les fonctions de transfert des sites et les comparer aux résultats expérimentaux. Nous avons traité d 'une part les effets d'une topographie de grandes dimensions sur les mouvements sismiques, à partir d'une expérience qui s'est déroulée à Corinthe en 1993. Cette étude a montré que l'effet de topogra phies lisses et cylindriques sur le mouvement du sol est faible et que les fortes amplifications qui peuvent être constatées sont dues à des hétérogénéités de la géologie. D'autre part nous avons étudié les effets d 'une couche sédimentaire à partir de deux expériences à Grenoble en i995 et à Annecy en 1906. L'expérience de Grenoble a montré que le mouvement du sol dans la vallée est amplifié sur une bande de fréquence de 0.5Hz à 5Hz avec des amplifications de 10. L'étude fine de microzonage a pu mettre en évidence une variation de la fréquence de résonance avec l'emplacement de la station. La simulation de mouvements forts a montré que des séismes de magnitude 6.4 à des distances supérieures à 80km pouvaient amener des accélérations de l'ordre de 5% de g. L'étude à Annecy, suite au séisme d 'Epagny du 15 juillet 1996, a montré une corrélation entre les résultats des méthodes expérimentales et les dégats observés lors du choc principal.

L'objectif de cette thèse est, l'étude fine des effets d'amplification suite à la géologie locale, notamment dans des bassins sédimentaires, ainsi que l'évaluation des avantages et Iimites des méthodes d'estimations. La partie expérimentale est basée sur des données acquises au site test EURO-SEISTEST, le premier site-test en Europe occidentale proche de Thessalonique (Grèce). Après une évaluation des effets d'amplification au site même et une étude de leur stabilité en fonction de plusieurs paramètres, les estimations obtenues par cinq méthodes différentes (la méthode des rapports spectraux classique, la méthode des fonctions récepteurs, une inversion généralisée, une méthode de la Coda et la méthode de Nakamura) sont comparées entre elles. Les avantages et limites de chaque méthode sont évaluées. Les résultats sont dans la suite confrontés et comparés avec des modélisations uni - et bidimensionnelles. La variabilité spatiale à travers la vallée examinée est étudiée par la cohérence spatiale. La grande couverture spatiale par des stations installées au site a permis de séparer deux zones d'un comportement différent de la cohérence entre deux signaux dépendant de la distance qui les sépare. Ceci n'a jamais été remarqué dans des études précédents à cause d 'une couverture spatiale trop faible. Finalement, l'étude paramétrique des effets d'amplifications dans un milieu hétérogène en trois dimensions montre que l'effet géométrique est important et peut provoquer des amplifications significatives. La réponse d'un milieu plus complexe n'est difficilement à prévoir, dépend de l 'azimut de l'onde incidente et montre des amplifications importantes en présence d'un forte contraste d'impedence présent.

L'objectif de ce travail est de proposer des méthodes simples d'estimation du mouvement sismique, applicables facilement, particulièrement dans le cas de milieux urbains. Ce sont, en effet, les grandes agglomérations qui sont souvent le siège de dégât, catastrophiques, et il est donc nécessaire de pouvoir fournir des techniques faciles à mettre en oeuvre pour l'étude du mouvement sismique auquel les structures construites doivent résister. Dans la première partie, nous étudierons une méthode d'estimation des effets de site liés à la géologie locale, basée sur le calcul du rapport spectral entre composantes horizontales et verticale (rapport H/V), sur des enregistrements de bruit de fond. Nous avons, dans un premier temps, réalisé une étude par simulation numérique permettant de mettre en évidence certains des paramètres qui contrôlent l'utilisation de cette méthode. ainsi que ses limites de validité. Une comparaison avec d'autres techniques classiques d'estimation des effets de site met en évidence les possibilités et les inconvénients de chacune d'elles, dans le cadre d'une grande ville. La deuxième partie de ce travail concerne la simulation de mouvements forts, avec pour objectifs les points suivants : fournir une méthode également applicable en milieux urbains, être en mesure de produire des simulations en champ proche, réduire la complexité et le temps de calcul nécessaires à la simulation, pouvoir effectuer des simulations a priori en des sites où aucun mouvement fort n'a encore été enregistré. Pour essayer de satisfaire ces objectifs nous proposons I'utilisation d'une technique basée sur le principe de la méthode des fonctions de Green empiriques. Nous utilisons ici des fonctions de Green théoriques, l' enregistrement de petits séismes étant très difficile en zone urbaine. Le séisme cible est défini par un nombre de paramètres relativement réduit : son moment sismique ainsi que la taille et l'orientation du plan de faille.

Les principales failles actives près de la capitale de la Mongolie, Ulaanbaatar avec environ 1.2 M d'habitants, sont à moins de 20 km et pourraient produire des séismes avec des magnitudes jusqu'à 7.5. La ville est construite sur un bassin sédimentaire, d'une épaisseur jusqu'à 100 mètres, qui peut générer des effets de site. Pour quantifier leur impact sur l'amplitude et la durée du mouvement du sol, selon la fréquence, j'utilise des mesures de mouvements faibles, à 32sites, et de bruit de fond, à 104 sites. Pour cela, j'ai appliqué les rapports spectraux " horizontal sur vertical " (HV) et " site sédimentaire sur rocher " (SSR). L'analyse de la fiabilité des résultats montre que l'amplitude du rapport HV varie en fonction du niveau du bruit de fond et que lorsqu'on est en présence d'une source de bruit particulière la fréquence amplifiée se polarise perpendiculairement à la direction de cette source. Une structure de vitesse du bassin, évaluée à partir de 3 mesures en réseaux, et un modèle numérique 3D du bassin m'ont permis de produire des simulations 1D et 2D. La fréquence amplifiée (HV) est bien expliquée par la simulation 1D mais la forme du pic (SSR) se corrèle mieux avec la simulation 2D. L'extension de la durée de signal induite par le bassin a été étudiée à partir de méthodes basées sur l'Intensité d'Arias et l'analyse fréquence-temps. A certains sites du basin, la durée augmente entre 20 et 160%. L'augmentation principale de la durée du mouvement du sol est due à l'amplification 1D, une partie étant à relier à des effets 2D à 3D. Nous avons cependant besoin de mouvements plus forts pour observer et étudier des effets 2D ou 3D. Finalement, je propose une carte de la fréquence amplifiée qui est essentielle pour l'évaluation de l'aléa sismique d'Ulaanbaatar.