<p dir="ltr">The Alpine Fault, located in the South Island, New Zealand, is a subject of intense geological study due to its potential to trigger large earthquakes. It encompasses a complex system with the interplay of mechanics, thermodynamics, and fluid. Gaining insights into these systems not only enhances our understanding of the fault but also holds the potential to guide risk mitigation efforts.</p><p dir="ltr">The damage extent and fracture networks within the metamorphic rock mass adjacent to the fault can be effectively characterized by seismic anisotropy, an elastic property of rock, where seismic waves travel at different speeds with variation directions. This thesis presents a comprehensive exploration of seismic anisotropy in the hanging wall immediately adjacent to the principal slip zone of the Alpine Fault in New Zealand. Leveraging the borehole seismic data from a unique scientific drilling project and advanced numerical modeling techniques, the ultimate goal is to invert and parameterize the bulk seismic anisotropy.</p><p dir="ltr">Motivated by these challenges, the thesis undertakes several key initiatives: The first effort focuses on gaining a comprehensive understanding of an innovative method for seismic measurement: Distributed Acoustic Sensing (DAS) – examining its operational principles, factors influencing observed wavelets, and how it contrasts with traditional point sensors for accurate interpretation. Subsequently, the research introduces the implementation of an open-source seismic wave solver designed for modeling elastic wave propagation in complicated anisotropic media. This solver is further optimized for computational efficiency with its performance rigorously benchmarked.</p><p dir="ltr">With this preparedness, the inversion is further facilitated by high-performance computing (HPC) and a deep-learning algorithm specifically designed for automatically picking transit times. The inverted bulk elastic constants, compared to the intact rock, reveal 28% to 35% reductions in qP-wave velocity, characterizing the damage due to mesoscale fracture. Further analysis sheds light on the existence of orthogonal fracture sets and an intricate geometrical arrangement that agree with the previous borehole image log. This represents an advancement in our ability to characterize and understand the geologic processes with seismic anisotropy.</p>

This thesis focuses on calculation of finite and progressive deformation in different tectonic scales using 2D numerical models with application to natural cases. Essentially, two major tectonic areas have been covered: a) salt tectonics and b) upper mantle deformation due to interaction between the lithosphere and asthenosphere. The focus in salt tectonics lies on deformation within down-built diapirs consisting of a source layer feeding a vertical stem. Three deformation regimes have been identified within the salt: (I) a squeezing channel flow underneath the overburden, (II) a corner flow underneath the stem, and (III) a pure channel flow within the stem. The results of the model show that the deformation pattern within the stem of a diapir (e.g. symmetric or asymmetric) can reveal information on different rates of salt supplies from the source layer (e.g. observed in Klodowa-diapir, Poland). Composite rock salt rheology results in strong localization and amplification of the strain along the salt layer boundaries in comparison to Newtonian rock salt. Flow and fold structures of passive marker lines are directly correlated to natural folds within a salt diapir. In case of the upper mantle, focus lies on deformation and resulting lattice preferred orientation (LPO) underneath an oceanic plate. Sensitivity of deformation and seismic anisotropy on rheology, grain size (d), temperature (T), and kinematics (v) has been investigated. The results of the model show that the mechanical lithosphere-asthenosphere boundary is strongly controlled by T and less so by v or d. A higher strain concentration within the asthenosphere (e.g. for smaller potential mantle temperatures, higher plate velocities, or smaller d) indicates a weaker coupling between the plate and the underlying mantle, which becomes stronger with the age of the plate. A Poiseuille flow within the asthenosphere, significantly affects the deformation and LPO in the upper mantle. The results of the model show, that deformation in the upper mantle at a certain distance away from the ridge depends on the absolute velocity in the asthenosphere. However, only in cases of a driving upper mantle base does the seismic anisotropy and delay times reach values within the range of natural data.

Seismic anisotropy at continental regions, mainly at stable areas, gives important information about past and present tectonic events, and helps us in understanding patterns of upper mantle flow in a way not achieved by other methods. The measurement of shear wave splitting (SWS), at individual stations, from core refracted phases (such as SKS phases), indicates the amount and orientation of the seismic anisotropy in the upper mantle. Previous studies of SWS in South America concentrated mainly along the Andes and in southeast Brazil. Now we add extra measurements extending to all Brazilian territory, especially in the Pantanal and Paraná-Chaco basins, as part of the FAPESP 3-Basins Thematic Project. The results from both temporary deployments and from the Brazilian permanent network provide a more complete and robust anisotropy map of the South America stable platform. In general the fast polarization orientations have an average E-W orientation. Significant deviations to ESE-WNW or ENE-WSW are observed in many regions. We compare our results with different anisotropy proxies: absolute plate motion given by the hotspot reference frame HS3-NUVEL-1A, a recent model of time dependent upper mantle flow induced by the Nazca plate subduction, global anisotropy from surface wave tomography, and geologic trends. We observe a poor correlation of the anisotropy directions with geological trends, with the exception of a few stations in northern Brazil and a better correlation with the mantle flow model. Therefore, our observed anisotropy is mainly due to upper-mantle flow, with little contribution from frozen lithospheric anisotropy. Also, deviations from the mantle flow model, which includes a thicker lithosphere at the Amazon craton, are mainly due to flow surrounding cratonic nuclei not used in the model: the keel of the São Francisco craton and a possible cratonic nucleus beneath the northern part of the Paraná Basin (called Paranapanema block). Large delay times at the Pantanal Basin may indicate a stronger asthenospheric channel, a more coherent flow, or a thicker asthenosphere. Small delays beneath the northern Paraná Basin and central Amazon craton may indicate thinner anisotropic asthenosphere. / Anisotropia sísmica em regiões continentais, principalmente em áreas estáveis, nos dá informações importantes sobre eventos tectônicos do passado e do presente, e nos ajuda a entender padrões de fluxo do manto superior de forma não alcançada por outros métodos geofísicos. A medida de separação de ondas cisalhantes (SWS), em estações individuais, de fases refratadas no núcleo (fases SKS, por exemplo), indica a intensidade e orientação da anisotropia sísmica no manto superior. Estudos prévios de SWS na América do Sul se concentraram principalmente ao longo dos Andes e no sudeste do Brasil. Agora adicionamos medidas extras que se extendem por todo território Brasileiro e alguns países vizinhos, especialmente nas bacias do Pantanal e do Chaco-Paraná, como parte do \"Projeto Temático 3-Bacias\" da FAPESP. Os resultados tanto das estações temporárias quanto da rede permanente Brasileira mostram um mapa de anisotropia mais robusto e completo da plataforma estável da América do Sul. Em geral, as direções de polarização rápida tem em média direção L-O. Desvios significantes nas direções LSL-ONO ou LNL-OSO são observadas em muitas regiões. Comparamos nossos resultados com diferentes representantes da anisotropia: movimento absoluto de placa dado pelo sistema de referência de hotspot HS3-NUVEL-1A, um modelo recente dependente do tempo de fluxo do manto superior induzido pela subducção da placa de Nazca, anisotropia global de tomografia de ondas de superfície, e tendências geológicas. Observamos pouca correlação das direções de anisotropia com tendências geológicas, com exceção de algumas estações no norte do Brasil e uma melhor correlação com o modelo de fluxo do manto. Portanto, nossa anisotropia observada é devida principalmente a fluxo do manto superior, com pouca contribuição de anisotropia \"congelada\" litosférica. Também, desvios do modelo de fluxo do manto, o qual inclui uma litosfera mais espessa no cráton da Amazônia, são devido ao fluxo ao redor de núcleos cratônicos não usados no modelo: a quilha do cráton do São Francisco e um possível núcleo cratônico abaixo da região norte da bacia do Paraná (chamado bloco do Paranapanema). Atrasos de tempo grandes na bacia do Pantanal podem indicar um canal astenosférico mais forte, um fluxo mais coerente ou uma astenosfera mais espessa. Pequenos atrasos abaixo da parte norte da bacia do Paraná e no centro do cráton da Amazônia podem indicar uma astenosfera mais fina.

Seismic anisotropy at continental regions, mainly at stable areas, gives important information about past and present tectonic events, and helps us in understanding patterns of upper mantle flow in a way not achieved by other methods. The measurement of shear wave splitting (SWS), at individual stations, from core refracted phases (such as SKS phases), indicates the amount and orientation of the seismic anisotropy in the upper mantle. Previous studies of SWS in South America concentrated mainly along the Andes and in southeast Brazil. Now we add extra measurements extending to all Brazilian territory, especially in the Pantanal and Paraná-Chaco basins, as part of the FAPESP 3-Basins Thematic Project. The results from both temporary deployments and from the Brazilian permanent network provide a more complete and robust anisotropy map of the South America stable platform. In general the fast polarization orientations have an average E-W orientation. Significant deviations to ESE-WNW or ENE-WSW are observed in many regions. We compare our results with different anisotropy proxies: absolute plate motion given by the hotspot reference frame HS3-NUVEL-1A, a recent model of time dependent upper mantle flow induced by the Nazca plate subduction, global anisotropy from surface wave tomography, and geologic trends. We observe a poor correlation of the anisotropy directions with geological trends, with the exception of a few stations in northern Brazil and a better correlation with the mantle flow model. Therefore, our observed anisotropy is mainly due to upper-mantle flow, with little contribution from frozen lithospheric anisotropy. Also, deviations from the mantle flow model, which includes a thicker lithosphere at the Amazon craton, are mainly due to flow surrounding cratonic nuclei not used in the model: the keel of the São Francisco craton and a possible cratonic nucleus beneath the northern part of the Paraná Basin (called Paranapanema block). Large delay times at the Pantanal Basin may indicate a stronger asthenospheric channel, a more coherent flow, or a thicker asthenosphere. Small delays beneath the northern Paraná Basin and central Amazon craton may indicate thinner anisotropic asthenosphere. / Anisotropia sísmica em regiões continentais, principalmente em áreas estáveis, nos dá informações importantes sobre eventos tectônicos do passado e do presente, e nos ajuda a entender padrões de fluxo do manto superior de forma não alcançada por outros métodos geofísicos. A medida de separação de ondas cisalhantes (SWS), em estações individuais, de fases refratadas no núcleo (fases SKS, por exemplo), indica a intensidade e orientação da anisotropia sísmica no manto superior. Estudos prévios de SWS na América do Sul se concentraram principalmente ao longo dos Andes e no sudeste do Brasil. Agora adicionamos medidas extras que se extendem por todo território Brasileiro e alguns países vizinhos, especialmente nas bacias do Pantanal e do Chaco-Paraná, como parte do \"Projeto Temático 3-Bacias\" da FAPESP. Os resultados tanto das estações temporárias quanto da rede permanente Brasileira mostram um mapa de anisotropia mais robusto e completo da plataforma estável da América do Sul. Em geral, as direções de polarização rápida tem em média direção L-O. Desvios significantes nas direções LSL-ONO ou LNL-OSO são observadas em muitas regiões. Comparamos nossos resultados com diferentes representantes da anisotropia: movimento absoluto de placa dado pelo sistema de referência de hotspot HS3-NUVEL-1A, um modelo recente dependente do tempo de fluxo do manto superior induzido pela subducção da placa de Nazca, anisotropia global de tomografia de ondas de superfície, e tendências geológicas. Observamos pouca correlação das direções de anisotropia com tendências geológicas, com exceção de algumas estações no norte do Brasil e uma melhor correlação com o modelo de fluxo do manto. Portanto, nossa anisotropia observada é devida principalmente a fluxo do manto superior, com pouca contribuição de anisotropia \"congelada\" litosférica. Também, desvios do modelo de fluxo do manto, o qual inclui uma litosfera mais espessa no cráton da Amazônia, são devido ao fluxo ao redor de núcleos cratônicos não usados no modelo: a quilha do cráton do São Francisco e um possível núcleo cratônico abaixo da região norte da bacia do Paraná (chamado bloco do Paranapanema). Atrasos de tempo grandes na bacia do Pantanal podem indicar um canal astenosférico mais forte, um fluxo mais coerente ou uma astenosfera mais espessa. Pequenos atrasos abaixo da parte norte da bacia do Paraná e no centro do cráton da Amazônia podem indicar uma astenosfera mais fina.

Temporal changes of seismic velocity and anisotropy in the shallow crust are quantified using local earthquakes recorded at a 200-m-deep borehole station CHY in Taiwan. This station is located directly above the hypocenter of the 10/22/1999, M6.4 Chia-Yi earthquake. Three-component seismograms recorded at this station show clear direct (up-going) and surface-reflected (down-going) P- and S-waves, and S-wave splitting signals. The two-way travel times in the top 200 m is obtained by measuring the time delays between the up-going and down-going waves in the auto-correlation function. The S-wave travel times measured in two horizontal components increase by ~1-2% at the time of Chia-Yi main shock, and followed by a logarithmic recovery, while the temporal changes of S-wave splitting and P-wave are less than 1% and are not statistically significant. We obtain similar results by grouping earthquakes into clusters according to their locations and waveform similarities. This suggests that the observed temporal changes are not very sensitive to the seismic ray path below CHY, but are mostly controlled by the variation of material property in the top 200 m of the crust. We propose that strong ground motions of the Chia-Yi main shock cause transient openings of fluid-filled microcracks and increases the porosity in the near-surface layers, followed by a relatively long healing process. Because we observe no clear changes in the shear wave anisotropy, we infer that the co-seismic damages do not have a preferred orientation. Our results also show a gradual increase of time delays for both the fast and slow S-waves in the previous 7 years before the Chia-Yi main shock. Such changes might be caused by variations of water table, sediment packing or other surficial processes.

Le travail réalisé pendant cette thèse a permis d'apporter de nouvelles contraintes sur le développement et la distribution de la déformation dans le manteau supérieur et plus particulièrement au niveau des grandes limites de plaques décrochantes. Grâce à l'apport de l'expérience USArray et d'une dizaine d'années d'enregistrements sismologiques supplémentaires, nous avons pu étudier, de manière précise, les variations d'anisotropie dans le voisinage de la Faille de San Andreas. Nous avons confirmé et étendu l'observation de deux couches anisotropes sous cette limite de plaque. On y observe une première couche localisée dans la lithosphère marquant la déformation induite à la limite de plaque, et une autre, asthénosphérique, cohérente avec l'anisotropie observée loin de la faille et d'origine plus discutée. Nous avons montré que la zone de déformation associée aux failles de San Andreas, Calaveras et d'Hayward a, vraisemblablement, une largeur d'au moins 40 kilomètres en base de lithosphère, sous chacune de ces failles. Nous avons ensuite procédé à la modélisation thermomécanique (ADELI) de la migration d'une limite de plaques décrochante couplée à une modélisation du développement de fabriques cristallographiques par une approche viscoplastique auto-cohérente (VPSC). Ceci nous a permis d'y observer le développement de la déformation et les conséquences des possibles interactions entre la déformation décrochante en surface et le cisaillement en base de lithosphère dû au déplacement horizontal des plaques. Les propriétés élastiques déduites des fabriques cristallographiques modélisées montrent que de telles interactions existent et provoquent, sous la limite de plaques, une rotation des orientations cristallographiques avec la profondeur. Le signal associé à ces rotations progressives n'est toutefois pas cohérent avec la présence de deux couches d'anisotropie comme proposée sous la faille de San Andreas. Nous pensons par conséquent qu'il existe, sous la Californie, une zone de découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, permettant d'individualiser une déformation lithosphérique d'une déformation asthénosphérique. Nous estimons, en outre, que l'anisotropie observée dans l'asthénosphère sous la Californie ne peut être expliquée seulement par le cisaillement induit par le déplacement de la lithosphère Nord Amérique. En effet, les propriétés anisotropes obtenues par modélisation à partir d'une plaque se déplaçant dans une direction et une vitesse proche de celle de la plaque Amérique du Nord montrent qu'on ne peut espérer guère plus que quelques dixièmes de seconde de délai au bout de 10 Ma de déplacement. Les déphasages mesurés en Californie étant de l'ordre de 1,5 s, il est donc nécessaire d'invoquer la présence d'écoulements mantelliques actifs sous cette région / This work provides new constraints on the development and on the distribution of the deformation in the upper mantle and particularly beneath transform plate boundaries. USArray experiment and the remarkable increase of the dataset in California for the past ten years allowed us to scrutinize the lateral variations of the anisotropy in the vicinity of the San Andreas Fault zone. We have confirmed and increased the detection of two layers of anisotropy beneath this plate boundary. The first layer, located in the lithosphere, is related to the deformation induced at the fault, and the other one, located in the asthenosphere, is coherent with the anisotropy observed far from it, its origin is however less clear. We show that the deformation zone associated both to the San Andreas, Calaveras and Hayward Faults, is likely 40 km wide at 70 km depth. We then performed numerical thermomechanical modeling (ADELI) of the displacement of a transform plate boundary associated with the computation of the development of crystallographic fabrics using a viscoplastic self-consistent approach (VPSC). We analyzed the distribution of the deformation in the model ant looked after the possible interactions at depth between deformation caused at surface by the strike-slip dynamic of the fault and the shearing at the base of the lithosphere caused by the horizontal displacement of the plates. Elastic properties derived from the crystallographic fabrics modeled, show that such interactions exist and induce, beneath the fault zone, a progressive rotation of the crystallographic fabrics with depth. Seismological signature of these smooth rotations is however not relevant with the presence of two anisotropic layers as proposed beneath California. We thus consider that a decoupling zone exists between the lithosphere and the asthenosphere beneath the California to account for the sharp separation between a lithospheric and an asthenospheric deformation. We furthermore estimate that anisotropy observed far form the San Andreas Fault in California cannot be explained only by the drag of the asthenosphere by the North America lithosphere as proposed in our article. Indeed, we can only expect few tenths of second of splitting delay from the anisotropic properties derived from the numerical modeling of a plate moving in the same direction and in the same velocity than the North American lithosphere only for 10 Ma of displacement. As delays observed in California rather reach 1.5 s, anisotropy in this region thus requires the existence of an active asthenospheric flow to be explained.

La circulation de matière et la signature sismique des zones de subduction sont fortement dépendantes despropriétés élastiques de deux grands types de minéraux hydratés : les serpentines (antigorite, lizardite etchrysotile) provenant de l'hydratation des minéraux du manteau et le glaucophane, minéral marqueur des schistesbleus et éclogites, faciès métamorphiques caractéristiques des zones de subduction. La détection de ces phasesest parfois difficile. Il est nécessaire de connaître leurs propriétés élastiques afin de mieux comprendre lesimages sismiques acquises. L'objectif de cette thèse est de mesurer et de calculer les propriétés élastiques deminéraux hydratés par la spectroscopie Brillouin (dans le cas de l'antigorite et du glaucophane) et par les calculsab initio (pour la lizardite). Caractériser au mieux ces propriétés permet de les relier à la sismicité dans les zonesde subduction et notamment aux zones de faibles vitesses détectées par diverses méthodes sismiques. Nosmesures ont été réalisées à l'ambiante pour l'antigorite et le glaucophane et à haute pression pour l'antigorite encellule à enclumes de diamants. Les mesures élastiques ont ensuite été couplées à des mesures d'orientationspréférentielles par Electron Back-Scattered Diffraction. Ceci a permis de quantifier l'anisotropie élevée(AVP=37% et AVS=50%) dans la roche totale ainsi que les vitesses sismiques faibles des ondes P et S. Nousavons pu ainsi relier le décalage des ondes S aux retards observés par sismique dans la zone de subduction deRyukyu (Japon). Les observations sismiques montrent que la serpentine est présente dans les zones où lasismicité est faible et apparaît non seulement comme un minéral essentiel des zones de subduction mais en pluscomme un "lubrifiant" permettant aux couches de glisser les unes sur les autres sans engendrer de séismes. Pourle glaucophane, les schistes bleus présentent une anisotropie plus élevée que les éclogites à glaucophane maisces roches sont toutefois difficiles à détecter avec la profondeur, du fait de leurs vitesses élevées comparables àcelles du manteau environnant. Nos calculs par méthode ab initio portent sur un analogue de l'antigorite, lalizardite pour laquelle nous avons établi les constantes élastiques à diverses pressions et en présence de fer ounon. Nous avons mis en évidence une anomalie élastique vers 5 GPa pour la lizardite et 7 GPa pour l'antigorite,que nous avons confirmée ensuite par des mesures de spectroscopies Brillouin et Raman à haute pression. / The flow of material and the seismic signature of subduction zones are highly dependent on the elastic propertiesof two major types of hydrated minerals: serpentines (antigorite, lizardite and chrysotile) produced by thehydration of mantle minerals and glaucophane, a marker of blueschists and eclogites, which are metamorphicfacies characteristic of subduction zones. Detection of these phases is sometime difficult. It is important to knowtheir elastic properties in order to better understand the seismic images. The goal of this work is to measure andcalculate the elastic properties of hydrated minerals by Brillouin spectroscopy (for antigorite and glaucophane)and ab initio calculations (for lizardite). The precise knowledge of such properties allows linking them to theseismicity in the subduction zones including areas of low velocities detected by various seismic methods. Ourmeasurements were performed at room conditions for antigorite and glaucophane and at high-pressure forantigorite in a diamond anvil cell. Elastic measurements were then coupled with measurements of latticepreferredorientations by Electron Back-Scattered Diffraction. This allowed quantifying the high anisotropy(AVP= 37% and AVS= 50%) in the whole rock and the low seismic velocities of P and S waves. We were able tolink it to the shear wave splitting observed by seismology in the Ryukyu arc (Japan). Seismic observations showthat serpentine is present in areas of low seismicity; it appears to be not only an essential mineral of thesubduction zones but also a “lubricant” allowing sliding layers to slip over each other without leading toearthquakes. For glaucophane, blueschists exhibit a higher anisotropy than glaucophane eclogites, but theserocks are difficult to detect at higher depth, because of their high velocities comparable to those of thesurrounding mantle. We performed ab initio calculations for a similar serpentine, the lizardite, for which weestablished the elastic constants at various pressures and in the presence of iron or not. We highlighted ananomaly around 5 GPa for lizardite and 7 GPa for antigorite, which was later confirmed by Brillouin and Ramanspectroscopies at high pressure.

Cette thèse s’intéresse à divers aspects de l’atténuation sismique dans le manteau terrestre et aux implications de celle-ci quant à la structure de ce dernier. L’enjeu est de mieux comprendre les mécanismes d’atténuation ainsi que les mesures que l’on peut effectuer afin d’améliorer les modèles radiaux d’atténuation dont on dispose et in fine l’interprétation des modèles de tomographie. Je me suis concentrée sur deux exemples de mécanismes d’atténuation, appartenant à deux grands types d’atténuation : l’atténuation intrinsèque, liée à l’absorption par le milieu d’une partie de l’énergie sismique dissipée irréversiblement sous forme de chaleur, et l’atténuation extrinsèque, liée à la dispersion de cette énergie par le milieu. Dans le premier cas, j'ai regardé l’effet des transitions de phase sur l’atténuation des ondes sismiques. En appliquant un modèle thermomécanique développé par Ricard et al., 2009, pour prédire l’atténuation des ondes sismiques liée à la transition de phase uniquement et en comparant les valeurs obtenues aux mesures dont on dispose, j'ai pu contraindre la cinétique d’une transition de phase mantellique. Dans le second cas, j'ai testé l’effet de l’anisotropie comme mécanisme d'atténuation apparente, le but étant de trouver une distribution statistique d’orientation d’anisotropie pouvant reproduire la quasi-constance du facteur de qualité Q avec la fréquence, observée en sismologie et lors d’expériences de laboratoire (Knopoff, 1964), et aujourd’hui expliquée par un modèle ad-hoc seulement (Liu, 1976).Enfin, je me intéressée à mesurer cette atténuation sismique sur des enregistrements réels. Après avoir testé la méthode dite de la fréquence instantanée (Ford et al., 2012), je me suis concentrée sur deux régions, l’Amérique centrale et l’Alaska pour l'appliquer. Ces mesures sont ensuite interprétées en termes de modèle radial d’atténuation révélant un manteau inférieur hétérogène atténuant. Je montre aussi qu’une origine compositionnelle est la plus probable pour expliquer ces anomalies d’atténuation. / This thesis is devoted to various aspects of seismic attenuation in the Earth's mantle and the consequences on the mantle structure. The challenge is to better understand the attenuation mechanisms, as well as the measurements that can be done, in order to improve the published radial profiles of attenuation and in fine the interpretation of tomographic models.I focus on two examples of attenuation mechanisms, belonging to two kinds of attenuation: the intrinsic attenuation related to the absorption by the medium of a part of the seismic energy then irreversibly dissipated as heat, and the extrinsic attenuation related to the dispersion of the seismic energy by the medium. In the first case, I investigate the effect of phase transitions upon seismic attenuation. Applying the thermo-mechanical model developped by Ricard et al., 2012, to calculate the attenuation of seismic waves due to the phase transition only and comparing the obtained values to published measurements, I succeed in constraining the kinetics of a mantle phase transition. In the second case, I test the seismic anisotropy as a mechanism of extrinsic attenuation, the aim being to find a statistical distribution of anisotropy orientation and layer thicknesses that can reproduce the observed quasi-frequency independence of Q in seismology and laboratory experiments (Knopoff, 1964), and which is, today, only explained by an ad-hoc model (Liu, 1976).Finally, I was interested in measuring the seismic attenuation on real seismograms. After having tested the method of the instantaneous frequency (Ford et al., 2012), I applied it to seismic records sampling the mantle below Central America and Alaska. These measurements are then inverted for a radial profile of shear attenuation which reveals the existence of an attenuating zone in the lower mantle. I also show that these attenuation anomalies are likely to be of chemical origin.

Cette thèse regroupe deux études distinctes, qui documentent le contrôle des microstructures sur les propriétés sismiques des roches. La première partie traite du développement des orientations préférentielles cristallographiques (OPC) dans le manteau supérieur, associé aux interactions liquide/magma-roche, enregistré dans des xénolites de péridotites du bassin d'arrière-arc de la mer du Japon. Les caractéristiques microstucturales et géochimiques des échantillons étudiés montrent que l'ouverture arrière-arc active est associée à une déformation du manteau supérieure similaire à celle observée dans l'ophiolite d'Oman. L'initiation de l'extension d'arrière-arc n'est pas associée à de fortes interactions entre percolation magmatique et déformation, en comparaison avec les zones de rifting continentales, probablement en raison des taille et durée relativement petites de l'épisode d'ouverture. La seconde partie présente une base de données unique d'OPC de plagioclase de roches mafiques plus ou moins déformées. Les OPC sont classées en 3 types principaux; leurs caractéristiques en fonction du régime de déformation (magmatique ou plastique) sont présentées et discutées. Les propriétés sismiques calculées des roches gabbroiques montrent que l'anisotropie tend à croitre avec l'intensité des fabriques, bien qu'elle soit généralement faible, en raison des effets opposés des olivines/clinopyroxènes et du plagioclase. / This thesis compiles two distinct studies that both document the control of microstructures on rock seismic properties. The first part deals with the development of crystallographic preferred orientations (CPO) in the uppermost mantle associated with melt/fluid-rock interactions, recorded in peridotites xenoliths from the Japan sea back-arc basin. The microstructural and geochemical characteristics of the studied samples reveal that active spreading is associated to uppermost mantle deformation similar to that observed in the Oman ophiolite. At the onset of back-arc spreading, there are no strong interactions between melt percolation and deformation in comparison to continental rift zones, probably due to the relatively small size and short duration of the spreading event. The second part presents a unique database of plagioclase CPO from variously deformed mafic rocks. CPO are grouped in three main types; their characteristics as a function of deformation regime (magmatic or crystal-plastic) are outlined and discussed. Calculated seismic properties of gabbroic rocks show that anisotropy tends to increase as a function of fabric strength, although it is generally weak, due to the competing effect of olivine/clinopyroxene and plagioclase.

Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d'un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d'inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d’arrivée des ondes P et S); et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont: une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l'isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu'il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l'angle d'orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l'azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d'un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques. / Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d'un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d'inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d’arrivée des ondes P et S); et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont: une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l'isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu'il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l'angle d'orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l'azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d'un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques.