Deep seismic exploration in the Gippsland Basin is hindered by strong, unidentified noise below the Latrobe Group coal sequence. Low velocity events that appeared in field data semblance analyses suggested that an elastic wave modelling study was required to understand the subcoal reflection response. The modified reflectivity method (Kennet, 1980) provided a means for constructing detailed and accurate synthetic seismograms from realistic depth models, under the assumption of an isotropic, plane-layered earth. A study into the effect of each part of an elastic depth model (upon an elastic depth model (upon an elastic synthetic seismogram) resulted in a set of guidelines for obtaining a field data comparison. Excellent ties were obtained at several wells, often using little more than a partial sonic log. The noise contributions to the synthesis were interpreted using additional synthetics computed from variations upon the depth model and by exercising control over the wave types modelled. Subsequent processing of the synthetics revealed three types of persistent noise in progressively deeper parts of the subcoal image: 1) mode converted interbed multiples (generated within the coal sequence); 2) S-wave reflections and long period multiples (generated between the coal sequence and the Miocene carbonates and 3) surface related multiples.

Deep seismic exploration in the Gippsland Basin is hindered by strong, unidentified noise below the Latrobe Group coal sequence. Low velocity events that appeared in field data semblance analyses suggested that an elastic wave modelling study was required to understand the subcoal reflection response. The modified reflectivity method (Kennet, 1980) provided a means for constructing detailed and accurate synthetic seismograms from realistic depth models, under the assumption of an isotropic, plane-layered earth. A study into the effect of each part of an elastic depth model (upon an elastic depth model (upon an elastic synthetic seismogram) resulted in a set of guidelines for obtaining a field data comparison. Excellent ties were obtained at several wells, often using little more than a partial sonic log. The noise contributions to the synthesis were interpreted using additional synthetics computed from variations upon the depth model and by exercising control over the wave types modelled. Subsequent processing of the synthetics revealed three types of persistent noise in progressively deeper parts of the subcoal image: 1) mode converted interbed multiples (generated within the coal sequence); 2) S-wave reflections and long period multiples (generated between the coal sequence and the Miocene carbonates and 3) surface related multiples.

In this thesis, we investigate and develop the optimal data processing procedures necessary to recover Green’s functions for body waves propagating among a network of borehole seismometers near Parkfield, CA. Applying these procedures, we detect P-waves propagating among these stations, which allows us to produce a first-order crustal velocity model for the San Andreas Fault in the Parkfield region. We also discuss under what conditions body wave phenomena such as reflections and mode conversions (P to S) may be observed, as further observing these would provide a dramatic improvement in our ability to characterize seismic velocity structures. Finally, we discuss the potential of seismic interferometry to produce time-lapse body wave characterizations of the San Andreas Fault, in which properties of the fault can be seen to change in time.

Cette thèse traite de la détection et de la localisation de sources autour de la faille de San Jacinto. Son but était de détecter des sources dans la croute superficielle, sur des profondeurs de l'ordre de quelques kilomètres. Ces sources ont une faible énergie et émettent principalement dans les hautes fréquences. Les sources à la surface autour et sur le réseau possèdent les mêmes caractéristiques et sont aussi étudiées afin de pouvoir les séparer des évènements en profondeur.Une méthode basée sur le traitement d'antenne, le Match Field Processing (MFP), est utilisée pour détecter et localiser de faibles évènements à faible profondeur et à la surface. Le MFP est appliqué a des données mesurées grâce a un réseau dense de capteurs une composante déployés sur une zone de 600mx600m sur la faille de San Jacinto. La méthode a d'abord été testée sur un ensemble d'évènements à la surface et en profondeur. Nous appliquons ensuite la technique sur 26 jours de données, afin de déterminer si des évènements sont présents en proche surface. Pour cela, seules la position en surface de la source et la vitesse apparente des ondes émises sont utilisés comme paramètres d'inversion. L'utilisation de ces trois paramètres permet de réaliser une première étude à moindre coût de calcul. Cependant cette première inversion ne permet pas de conclure sur la présence de sources en proche surface. L'information sur la position de la source en profondeur est nécessaire. Les résultats de localisations qui incluent la profondeur comme paramètre étant peu concluants lorsque le modèle classique de vitesse homogène est utilisé, nous étudions ensuite différentes stratégies pour améliorer la résolution en profondeur sans augmenter le coût de calcul. / The focus of this thesis is the detection and localization of weak sources on the San Jacinto Fault Zone. The primary targets of interest are sources in the shallow crust, with depth down to a few kilometers. For sources at these depths high frequency content and low energy are expected. Surface sources present on and around the array site are also studied in order to discriminate them from weak seismic sources at depth.We rely on a methodology based on array processing to detect and localize shallow and weak seismic events in the fault zone complex environment. We use Match field Processing on data recorded from a dense array of 1108 vertical component geophones in a 600m x 600m area on the Clark branch of the San Jacinto Fault. We first test the method on a set of chosen events at depth and at the surface. Source epicentral positions and associated apparent velocities are then inverted for surface and seismic sources for 26 days, with the intention of determining if shallow sources are present. Inverting only for these three parameters is less expensive in terms of computational cost and is suitable for a first approach. However, this first inversion leaves us unable to conclude on the presence of shallow sources. As the resolution at depth is insufficient when all three source coordinates are inverted with a classical homogeneous velocity model, we finally investigate strategies to improve resolution at depth without increasing computational cost.

Situated in an active tectonic region, Santiago de Chile, the country´s capital with more than six million inhabitants, faces tremendous earthquake hazard. Macroseismic data for the 1985 Valparaiso and the 2010 Maule events show large variations in the distribution of damage to buildings within short distances indicating strong influence of local sediments and the shape of the sediment-bedrock interface on ground motion. Therefore, a temporary seismic network was installed in the urban area for recording earthquake activity, and a study was carried out aiming to estimate site amplification derived from earthquake data and ambient noise. The analysis of earthquake data shows significant dependence on the local geological structure with regards to amplitude and duration. Moreover, the analysis of noise spectral ratios shows that they can provide a lower bound in amplitude for site amplification and, since no variability in terms of time and amplitude is observed, that it is possible to map the fundamental resonance frequency of the soil for a 26 km x 12 km area in the northern part of the Santiago de Chile basin. By inverting the noise spectral rations, local shear wave velocity profiles could be derived under the constraint of the thickness of the sedimentary cover which had previously been determined by gravimetric measurements. The resulting 3D model was derived by interpolation between the single shear wave velocity profiles and shows locally good agreement with the few existing velocity profile data, but allows the entire area, as well as deeper parts of the basin, to be represented in greater detail. The wealth of available data allowed further to check if any correlation between the shear wave velocity in the uppermost 30 m (vs30) and the slope of topography, a new technique recently proposed by Wald and Allen (2007), exists on a local scale. While one lithology might provide a greater scatter in the velocity values for the investigated area, almost no correlation between topographic gradient and calculated vs30 exists, whereas a better link is found between vs30 and the local geology. When comparing the vs30 distribution with the MSK intensities for the 1985 Valparaiso event it becomes clear that high intensities are found where the expected vs30 values are low and over a thick sedimentary cover. Although this evidence cannot be generalized for all possible earthquakes, it indicates the influence of site effects modifying the ground motion when earthquakes occur well outside of the Santiago basin. Using the attained knowledge on the basin characteristics, simulations of strong ground motion within the Santiago Metropolitan area were carried out by means of the spectral element technique. The simulation of a regional event, which has also been recorded by a dense network installed in the city of Santiago for recording aftershock activity following the 27 February 2010 Maule earthquake, shows that the model is capable to realistically calculate ground motion in terms of amplitude, duration, and frequency and, moreover, that the surface topography and the shape of the sediment bedrock interface strongly modify ground motion in the Santiago basin. An examination on the dependency of ground motion on the hypocenter location for a hypothetical event occurring along the active San Ramón fault, which is crossing the eastern outskirts of the city, shows that the unfavorable interaction between fault rupture, radiation mechanism, and complex geological conditions in the near-field may give rise to large values of peak ground velocity and therefore considerably increase the level of seismic risk for Santiago de Chile. / Aufgrund ihrer Lage in einem tektonisch aktiven Gebiet ist Santiago de Chile, die Hauptstadt des Landes mit mehr als sechs Millionen Einwohnern, einer großen Erdbebengefährdung ausgesetzt. Darüberhinaus zeigen makroseismische Daten für das 1985 Valparaiso- und das 2010 Maule-Erdbeben eine räumlich unterschiedliche Verteilung der an den Gebäuden festgestellten Schäden; dies weist auf einen starken Einfluss der unterliegenden Sedimentschichten und der Gestalt der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein auf die Bodenbewegung hin. Zu diesem Zweck wurde in der Stadt ein seismisches Netzwerk für die Aufzeichnung der Bodenbewegung installiert, um die auftretende Untergrundverstärkung mittels Erdbebendaten und seismischem Rauschen abzuschätzen. Dabei zeigt sich für die Erdbebendaten eine deutliche Abhängigkeit von der Struktur des Untergrunds hinsichtlich der Amplitude der Erschütterung und ihrer Dauer. Die Untersuchung der aus seismischem Rauschen gewonnenen horizontal-zu-vertikal-(H/V) Spektral-verhältnisse zeigt, dass diese Ergebnisse nur einen unteren Grenzwert für die Bodenverstärkung liefern können. Weil jedoch andererseits keine zeitliche Veränderung bei der Gestalt dieser Spektralverhältnisse festgestellt werden konnte, erlauben die Ergebnisse ferner, die Resonanzfrequenz des Untergrundes für ein 26 km x 12 km großes Gebiet im Nordteil der Stadt zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme von Informationen über die Dicke der Sedimentschichten, welche im vorhinein schon durch gravimetrische Messungen bestimmt worden war, konnten nach Inversion der H/V-Spektralverhältnisse lokale Scherwellengeschwindigkeitsprofile und nach Interpolation zwischen den einzelnen Profilen ein dreidimensionales Modell berechnet werden. Darüberhinaus wurde mit den verfügbaren Daten untersucht, ob auf lokaler Ebene ein Zusammenhang zwischen der mittleren Scherwellengeschwindigkeit in den obersten 30 m (vs30) und dem Gefälle existiert, ein Verfahren, welches kürzlich von Wald und Allen (2007) vorgestellt wurde. Da für jede lithologische Einheit eine starke Streuung für die seismischen Geschwindigkeiten gefunden wurde, konnte kein Zusammenhang zwischen dem Gefälle und vs30 hergestellt werden; demgegenüber besteht zumindest ein tendenzieller Zusammenhang zwischen vs30 und der unterliegenden Geologie. Ein Vergleich der Verteilung von vs30 mit den MKS-Intensitäten für das 1985 Valparaiso-Erdbeben in Santiago zeigt, dass hohe Intensitätswerte vor allem in Bereichen geringer vs30-Werte und dicker Sedimentschichten auftraten. Weiterhin ermöglichte die Kenntnis über das Sedimentbeckens Simulationen der Bodenbewegung mittels eines spektralen-Elemente-Verfahrens. Die Simulation eines regionalen Erdbebens, welches auch von einem dichten seismischen Netzwerk aufgezeichnet wurde, das im Stadtgebiet von Santiago infolge des Maule-Erdbebens am 27. Februar 2010 installiert wurde, zeigt, dass das Modell des Sedimentbeckens realistische Berechnungen hinsichtlich Amplitude, Dauer und Frequenz erlaubt und die ausgeprägte Topographie in Verbindung mit der Form der Grenzfläche zwischen den Sedimenten und dem Festgestein starken Einfluss auf die Bodenbewegung haben. Weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der Bodenerschütterung von der Position des Hypozentrums für ein hypothetisches Erdbeben an der San Ramón-Verwerfung, welche die östlichen Vororte der Stadt kreuzt, zeigen, dass die ungünstige Wechselwirkung zwischen dem Verlauf des Bruchs, der Abstrahlung der Energie und der komplexen geologischen Gegebenheiten hohe Werte bei der maximalen Bodengeschwindigkeit erzeugen kann. Dies führt zu einer signifikanten Zunahme des seismischen Risikos für Santiago de Chile.

The proliferation of megacities in many developing countries, and their location in areas where they are exposed to a high risk from large earthquakes, coupled with a lack of preparation, demonstrates the requirement for improved capabilities in hazard assessment, as well as the rapid adjustment and development of land-use planning. In particular, within the context of seismic hazard assessment, the evaluation of local site effects and their influence on the spatial distribution of ground shaking generated by an earthquake plays an important role. It follows that the carrying out of earthquake microzonation studies, which aim at identify areas within the urban environment that are expected to respond in a similar way to a seismic event, are essential to the reliable risk assessment of large urban areas. Considering the rate at which many large towns in developing countries that are prone to large earthquakes are growing, their seismic microzonation has become mandatory. Such activities are challenging and techniques suitable for identifying site effects within such contexts are needed. In this dissertation, I develop techniques for investigating large-scale urban environments that aim at being non-invasive, cost-effective and quickly deployable. These peculiarities allow one to investigate large areas over a relative short time frame, with a spatial sampling resolution sufficient to provide reliable microzonation. Although there is a negative trade-off between the completeness of available information and extent of the investigated area, I attempt to mitigate this limitation by combining two, what I term layers, of information: in the first layer, the site effects at a few calibration points are well constrained by analyzing earthquake data or using other geophysical information (e.g., shear-wave velocity profiles); in the second layer, the site effects over a larger areal coverage are estimated by means of single-station noise measurements. The microzonation is performed in terms of problem-dependent quantities, by considering a proxy suitable to link information from the first layer to the second one. In order to define the microzonation approach proposed in this work, different methods for estimating site effects have been combined and tested in Potenza (Italy), where a considerable amount of data was available. In particular, the horizontal-to-vertical spectral ratio computed for seismic noise recorded at different sites has been used as a proxy to combine the two levels of information together and to create a microzonation map in terms of spectral intensity ratio (SIR). In the next step, I applied this two-layer approach to Istanbul (Turkey) and Bishkek (Kyrgyzstan). A similar hybrid approach, i.e., combining earthquake and noise data, has been used for the microzonation of these two different urban environments. For both cities, after having calibrated the fundamental frequencies of resonance estimated from seismic noise with those obtained by analysing earthquakes (first layer), a fundamental frequency map has been computed using the noise measurements carried out within the town (second layer). By applying this new approach, maps of the fundamental frequency of resonance for Istanbul and Bishkek have been published for the first time. In parallel, a microzonation map in terms of SIR has been incorporated into a risk scenario for the Potenza test site by means of a dedicated regression between spectral intensity (SI) and macroseismic intensity (EMS). The scenario study confirms the importance of site effects within the risk chain. In fact, their introduction into the scenario led to an increase of about 50% in estimates of the number of buildings that would be partially or totally collapsed. Last, but not least, considering that the approach developed and applied in this work is based on measurements of seismic noise, their reliability has been assessed. A theoretical model describing the self-noise curves of different instruments usually adopted in microzonation studies (e.g., those used in Potenza, Istanbul and Bishkek) have been considered and compared with empirical data recorded in Cologne (Germany) and Gubbio (Italy). The results show that, depending on the geological and environmental conditions, the instrumental noise could severely bias the results obtained by recording and analysing ambient noise. Therefore, in this work I also provide some guidelines for measuring seismic noise. / Aufgrund des enormen Wachstums neuer Megastädte und deren Vordringen in gefährdete Gebiete auf der einen Seite sowie der mangelnden Erdbebenvorsorge in vielen Entwicklungsländern auf der anderen Seite sind verbesserte Verfahren für die Beurteilung der Gefährdung sowie eine rasche Umsetzung bei der Raumplanung erforderlich. Im Rahmen der seismischen Gefährdungsabschätzung spielt insbesondere die Beurteilung lokaler Standorteffekte und deren Einfluss auf die durch ein Erdbeben verursachte räumliche Verteilung der Bodenerschütterung eine wichtige Rolle. Es ist daher unabdingbar, mittels seismischer Mikrozonierungsstudien diejenigen Bereiche innerhalb dicht besiedelter Gebiete zu ermitteln, in denen ein ähnliches Verhalten im Falle seismischer Anregung erwartet wird, um daraus eine zuverlässige Basis bei der Risikoabschätzung großer städtischer Gebiete zu erhalten. Aufgrund des schnellen Wachstums vieler Großstädte in Entwicklungsländern ist eine seismische Mikrozonierung zwingend erforderlich, stellt aber auch eine große Herausforderung dar; insbesondere müssen Verfahren verfügbar sein, mit deren Hilfe rasch eine Abschätzung der Standorteffekte durchgeführt werden kann. In der vorliegenden Arbeit entwickle ich daher Verfahren für die Untersuchung in Großstädten, die darauf abzielen, nicht-invasiv, kostengünstig und schnell durchführbar zu sein. Damit lassen sich innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Gebiete untersuchen, falls der räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten klein genug ist, um eine zuverlässige Mikrozonierung zu gewährleisten. Obwohl es eine gegenläufige Tendenz zwischen der Vollständigkeit aller Informationen und der Größe des untersuchten Gebiets gibt, versuche ich, diese Einschränkung durch Verknüpfung zweier Informationsebenen zu umgehen: In der ersten Ebene werden die Standorteffekte für einige Kalibrierungspunkte durch die Analyse von Erdbeben oder mittels anderer geophysikalischer Datensätze (z.B. Scherwellengeschwindigkeitsprofile) bestmöglich abgeschätzt, in der zweiten Ebene werden die Standorteffekte durch Einzelstationsmessungen des seismischen Rauschens für ein größeres Gebiet bestimmt. Die Mikrozonierung erfolgt hierbei mittels spezifischer, fallabhängiger Parameter unter Berücksichtigung eines geeigneten Anknüpfungspunktes zwischen den beiden Informationensebenen. Um diesen Ansatz der Mikrozonierung, der in dieser Arbeit verfolgt wurde, zu präzisieren, wurden in Potenza (Italien), wo eine beträchtliche Menge an Daten verfügbar war, verschiedene Verfahren untersucht. Insbesondere kann das Spektralverhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Seismometerkomponenten, welche für das seismische Rauschen an mehreren Orten aufgenommen wurde, als eine erste Näherung für die relative Verstärkung der Bodenbewegung verwendet werden, um darauf aufbauend die beiden Informationsebenen zu verknüpfen und eine Mikrozonierung hinsichtlich des Verhältnisses der spektralen Intensität durchzuführen. Anschließend führte ich diesen Zwei-Ebenen-Ansatz auch für Istanbul (Türkei) und Bischkek (Kirgisistan) durch. Für die Mikrozonierung dieser beiden Städte habe ich denselben Hybridansatz, der Daten von Erdbeben und von seismischem Rauschen verbindet, verwendet. Für beide Städte wurde nach Gegenüberstellung der Resonanzfrequenz des Untergrunds, die zum einen mit Hilfe des seismischen Rauschens, zum anderen durch Analyse von Erdbebendaten bestimmt worden ist (erste Ebene), eine Karte der Resonanzfrequenz unter Verwendung weiterer Messungen des seismischen Rauschens innerhalb des Stadtgebiets erstellt (zweite Ebene). Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes sind vor kurzem zum ersten Mal auch Karten für die Resonanzfrequenz des Untergrunds für Istanbul und Bischkek veröffentlicht worden. Parallel dazu wurde für das Testgebiet in Potenza eine auf dem spektralen Intensitätsverhältnis (SIR) basierende Mikrozonierungskarte in ein Risikoszenario mittels der Regression zwischen SIR und makroseismischer Intensität (EMS) integriert. Diese Szenariostudie bestätigt die Bedeutung von Standorteffekten innerhalb der Risikokette; insbesondere führt deren Einbeziehung in das Szenario zu einem Anstieg von etwa 50% bei der Zahl der Gebäude, für die ein teilweiser oder gar vollständiger Zusammenbruch erwartet werden kann. Abschließend wurde der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewandte Ansatz auf seine Zuverlässigkeit geprüft. Ein theoretisches Modell, das zur Beschreibung des Eigenrauschens verschiedener Instrumente, die in der Regel in Mikrozonierungsstudien (z. B. in Potenza, Istanbul und Bischkek) zum Einsatz kommen, wurde untersucht, und die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die vorher bereits in Köln (Deutschland) und Gubbio (Italien) aufgenommen worden waren. Die Ergebnisse zeigen, dass abhängig von den geologischen und umgebenden Bedingungen das Eigenrauschen der Geräte die Ergebnisse bei der Analyse des seismischen Rauschens stark verzerren kann. Deshalb liefere ich in dieser Arbeit auch einige Leitlinien für die Durchführung von Messungen des seismischen Rauschens.

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L'utilisation d'un grand nombre de capteurs sismiques est de plus en plus courant pour imager l'intérieur de notre planète depuis sa surface pour la prospection sismique, jusqu'à sa structure profonde avec la sismologie continentale et globale. L'application d'un traitement d'antenne aux enregistrements issus de réseaux de capteurs permet l'extraction de nouvelles observables et une meilleure compréhension de la propagation des ondes dans les milieux complexes. Parmi ces méthodes, on s'intéresse particulièrement aux traitements simultanés en émission-réception de type double formation de voies (DFV). A l'échelle de la prospection sismique, la DFV est utilisée pour extraire des ondes de volume pouvant être masquées par des ondes de surface plus énergétiques. A l'échelle continentale, les réseaux de sources étant plus rares, on propose d'appliquer la méthode DFV à des signaux reconstruits par corrélation du bruit sismique ambiant. De la même manière que pour un couple de stations, la corrélation d'enregistrements continus permet d'évaluer la fonction de Green entre deux antennes réceptrices. Cette méthode est appliquée à des données du réseau Transportable Array (USArray) afin de mesurer et cartographier la vitesse de phase des ondes de surface au centre des USA. Enfin à l'échelle globale, une combinaison de plusieurs grands réseaux sismologiques est utilisée pour démontrer que la corrélation d'enregistrements continus, dans la gamme de périodes, 5-100s permet la reconstruction des ondes de volume à des distances télésismiques. Une analyse de la contribution respective du bruit ambiant, d'origine océanique, et des séismes est réalisée. On montre que les arrivées tardives des forts séismes, réverbérées à l'intérieur du globe, contribuent de manière importante à la reconstruction des phases profondes. Les ondes de volume reconstruites à partir du bruit ambiant constituent une nouvelle source d'information, complémentaire aux données issues des séismes, et pouvant être utilisée pour imager notre planète. / The use of a large number of sensors is becoming more common in seismology at both the global scale for deep Earth studies, and at the exploration geophysics scale for monitoring and subsurface imaging. Seismic arrays require array processing from which new type of observables contribute to a better understanding of the wave propagation complexity. This thesis deals with a subset of these techniques. It first focuses on a way to select and identify different phases between two source-receiver arrays based on the double beamforming (DBF) method. At the exploration geophysics scale, the goal is to identify and separate low-amplitude body waves from high-amplitude dispersive surface waves. At the continental scale, as the source arrays are uncommon, the cross-correlation (CC) method of broadband ambient seismic noise can be used to evaluate the Green's function between two receiver arrays. The combination of DBF and CC is applied on Transportable Array (USArray) data to construct high-resolution phase velocity maps of Rayleigh and Love waves. Finally, at the global scale, by using a large number of sensors, it is shown that body waves can emerge form CC of continuous records in the 5-100s period band. We also analyze the contribution of strong earthquakes and particularly their long lasting reverberated coda. We compare it to the contribution to correlations of the continuous background sources associated with the ocean-crust interaction. The reconstructed body waves constitute a valuable supplement to traditional earthquake data to image and to monitor the structure of the Earth from its surface to the inner core.

Durant mes trois années de thèse, j'ai été amenée à travailler sur différents aspects de la surveillance des propriétés élastiques de la croûte, à la fois par analyses numériques, mais aussi par des applications d'utilisation du bruit ambiant. Ma thèse s'articule autour de deux parties principales: Les propriétés des ondes de la coda Le libre parcours moyen est un paramètre crucial rencontré continuellement dans les différentes parties de mon travail. Dans cette partie, je présente une nouvelle façon de déterminer ce libre parcours moyen à partir des statistiques de phase. Cette méthode a été testée avec succès dans l'étude d'un volcan situé en Auvergne (France). Je présente ensuite une analyse numérique de la sensibilité que les ondes de la coda manifestent en fonction de la profondeur. Ce travail nous a permis de relier cette sensibilité à la profondeur observée dans les ondes de la coda, à une combinaison de la sensibilité des ondes de volume et de celle des ondes de surface. En effet, cette sensibilité des ondes de volume et de surface dépend directement du temps considéré dans la coda et du libre parcours moyen du milieu étudié. Nous avons été capable de montrer que le changement de vitesse relatif dans la coda était lié à une dépendance en temps. Cette importante observation nous permet de pouvoir établir une distinction entre un changement qui se produit en surface et un changement ayant lieu en profondeur. Localisation des changements dans un milieu diffusif Nous avons développé une méthode d'inversion basée sur des approches probabilistes de la propagation des ondes, afin de pouvoir localiser les changements dans le milieu. Nous avons également étudié la décohérence de la forme d'onde, ce qui constitue un aspect additionnel des techniques de surveillance du bruit sismique, qui traditionnellement sont basés sur l'évaluation du temps de retard dans la coda. Au cours de cette thèse, nous avons affiné notre méthode d'inversion en l'appliquant à trois cas d'études. Dans un premier cas, nous avons étudié les changements ayant eu lieu avant et pendant l'éruption du volcan du Piton de la Fournaise situé sur l'Ile de la Réunion. Le challenge ici est de parvenir à localiser correctement la prochaine éruption. La seconde application a concerné le séisme de Mw7,9 de Wenchuan (Chine), sur lequel nous avons obtenu de nombreuses données. Dans ce cas, nous avons pris en compte l'évolution de la coda au cours du temps et nous avons conjointement inversé les données à différents temps dans la coda pour étudier les changements induits dans la croûte, avant et pendant le séisme. A partir de ces résultats, nous avons pu clairement voir que la décohérence de la forme d'onde et les variations de vitesse n'étaient pas sensibles aux mêmes propriétés physiques. Dans le troisième cas d'étude, nous avons testé la procédure d'inversion avec un noyau 3D pour étudier la fracturation dans un bloc de béton soumis à une contrainte croissante. / During my thesis, I worked on different aspects of monitoring the elastic properties of the crust, with both numerical analysis and applications with ambient noise. The main body of my thesis consists of two main parts: 1. Properties of coda waves A very important parameter that we continuously encounter in the different parts of my thesis work is the scattering mean free path. I present an original way to determine the scattering mean free path from phase statistics that was successfully tested on a volcano in Auvergne. Then I discuss an intensive numerical analysis of the depth sensitivity of coda waves. This work allowed us to relate the depth sensitivity of coda waves to a combination of bulk wave sensitivity and surface wave sensitivity that depends on the time in the coda and on the scattering mean free path of the medium. We were able to show a time dependence of the relative velocity change in the coda that allows us to discriminate a change that occurs at the surface from a change that occurs at depth. 2. Locating changes in multiply scattering media We developed an inversion method based on probabilistic approaches of the wave propagation to locate changes in the medium. As an additional aspect to seismic noise monitoring techniques that are based on the evaluation of time delays in the coda, we also study the waveform decoherence. Within this thesis, we apply and refine the inversion method with three case studies. We study pre-and co-eruptive changes at Piton de la Fournaise volcano in La Réunion Island. The challenge here is to correctly locate forthcoming eruptions. A second data set comes from the Mw7.9 Wenchuan earthquake in China. In this study, we take the time evolution of the coda into account and jointly invert the data at different times in the coda to study changes in the crust during and after the earthquake. From the results, we can clearly see that waveform decoherence and velocity variations are not sensitive to the same physical properties. In the third study, we test the inversion procedure with a 3D sensitivity kernel to study the fracturing of concrete blocks under increased tension.

The Matched Field Processing approach is evaluated and was applied in the geophysical context. Synthetic tests were performed using Finite Difference Modelling that show the resolution of the approach considering different environmental setups. Matched Field Processing was applied to two field data sets. On the Hartousov Mofette Field (NW Bohemia/Vogtland region, Czech Republic) it was used to locate subsurface fluid channels and to investigate their spatio-temporal variations. On the Gornergletscher (Canton Valais, Switzerland) it was applied to monitor lake drainage from the ice-marginal lake Gornersee and to locate accompanying water tremor sources.