Με την τομογραφία επιχειρείται η δημιουργία μιας εικόνας-τομής των ιδιοτήτων ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας μετρήσεις της ενέργειας που διαδόθηκε μέσω του αντικειμένου, σε δέκτες στην περιφέρειά του. Έχει αποδειχθεί ότι ένα αντικείμενο είναι δυνατόν να απεικονισθεί με ακρίβεια από ένα πλήρες σύνολο περιμετρικών προβολών του. Η τομογραφική ανάλυση είναι δυνατό να γίνει αξιοποιώντας κυματική ενέργεια που έχει διαδοθεί μέσω του υπό μελέτη αντικειμένου (ακτινική τομογραφία) ή προέρχεται από ανάκλαση, περίθλαση κ.ο.κ. σε ανομοιογενή τμήματα του αντικειμένου (περιθλαστική τομογραφία). Στην παρούσα εργασία γίνεται πειραματική εφαρμογή της μεθόδου της σεισμικής τομογραφικής απεικόνισης σε αρχαιολογικά προβλήματα, όπως στην ανίχνευση αρχαιολογικών αντικειμένων στο υπέδαφος ή σε περιβάλλον τεχνητών λόφων (τύμβων -ταφικών μνημείων). Η εφαρμογή αυτή συνιστά ενδιαφέρουσα πρόκληση λόγω του ιδιαίτερα ανομοιογενούς περιβάλλοντος στο οποίο επιχειρείται η ανίχνευση των αντικειμένων καθώς και των μικρών γενικά, αλλά και συχνά απροσδιόριστων, διαστάσεων των αντικειμένων αυτών. Ο μη καταστρεπτικός χαρακτήρας της εφαρμογής είναι ιδιαίτερα ευνοϊκός και αποδεκτός στην αρχαιολογική έρευνα, τόσο σε αναγνωριστικό όσο και σε ανασκαφικό/ σωστικό επίπεδο. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι αρχές και το θεωρητικό μέρος της τομογραφικής μεθοδολογίας, με ιδιαίτερη αναλυτική αναφορά στις δύο κύριες μεθόδους ανασύνθεσης των χαρακτηριστικών του εσωτερικού του ερευνώμενου μέσου (χώρου), την ακτινική τομογραφία και περίθλασης, καθώς και τις σχετικές τεχνικές και αλγόριθμους αντιστροφής. Τέλος γίνεται εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας σε 3 διαστάσεις, σε σεισμικές καταγραφές από αρχαιολογικούς-μνημειακούς χώρους, με τη χρήση του αλγόριθμου SIRT (τεχνική ταυτόχρονης επαναληπτικής ανασύνθεσης). Τα δεδομένα ήταν χρόνοι πρώτης άφιξης καθώς και πλάτη σε μια περίπτωση. Kατά την εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας, γίνονται δοκιμές ρύθμισης των παραμέτρων και μεταβλητών κατά τη διαδικασία της αντιστροφής, ώστε να διερευνηθεί η επίδρασή τους στο αποτέλεσμα. Επίσης, διερευνάται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου με κατασκευή μοντέλων με βάση πληροφορίες για τους χώρους έρευνας, υπολογισμό συνθετικών χρόνων και αντιστροφή των συνθετικών χρόνων για σύγκριση με τα αποτελέσματα των πραγματικών χρόνων και εξαγωγή συμπερασμάτων. Λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία από τις ανωτέρω δοκιμές, επιλέγονται τελικές τιμές παραμέτρων για την αντιστροφή των πραγματικών δεδομένων και γίνεται αξιολόγηση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Γίνεται επίσης δοκιμαστική εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας / ενίσχυσης εικόνας στα αποτελέσματα της αντιστροφής, για την ενίσχυση κυρίως των μικρών, τοπικών, μεταβολών της σεισμικής ταχύτητας και την πληρέστερη απεικόνιση των χώρων έρευνας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την έρευνα του προϊστορικού οικισμού Παλαμαρίου Σκύρου, του χώρου θεμελίωσης του Καθολικού (Ναού) της Ι.Μ. Δαφνίου Αττικής, του εσωτερικού του τεχνητού λόφου – πιθανού τύμβου Καστά Μεσολακκιάς Σερρών και των νεκροταφείων της περιοχής Chatby της Αλεξάνδρειας Αιγύπτου. / With tomography is attempted the creation of an image – slice of the internal properties of a medium / object with use of measurements of the energy which was transmitted through the medium, at receivers on the outside of it. It has been proved that a medium can be imaged with precision by a set of perimetric projections. Tomographic analysis is possible by employing wave energy that has been transmitted through the medium under investigation (ray tomography) or has been reflected or diffracted at various inhomegeneities within the medium (diffraction tomography). In the present study, an experimental application of the seismic tomographic imaging method is made in the field of archaeological exploration, such as detection of archaeological remains in the subsurface or in artificial hills (tumuli). The application poses an interesting challenge, because of the highly inhomogeneous environment where the detection is tried and the small and unknown, in general, dimensions of the target objects. The non-destructive character of the application makes it quite attractive and acceptable in archaeological exploration, both at reconnaissance and later stages of excavation. The principles and theoretical foundations of the tomographic methodology are presented, with particular reference to the two main methods of reconstruction of the internal character of the investigated medium and included objects, that is ray and diffraction tomography, as well as the relevant inversion techniques and algorithms. Finally, an application of ray tomography on seismic recordings from archaeological / monumental sites is made, with use of the simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT). In the application of ray tomography, adjustment tests of inversion parameters and variables are made, in order to study their effect on the inversion result. The effectiveness of the method and of the algorithm is investigated with the aid of synthetic models based on possible information from the test sites and the bibliography. Using the models as starting models, synthetic travel times are calculated and are then inverted, while the resulting image is compared with the synthetic starting model and conclusions are drawn. Based on the results of the above tests, final parameter values are set for the inversion of real field data and an assessment and an interpretation of the results is made. Image processing and enhancement is applied to the resulting tomograms, in order to enhance and clarify the small (hidden) variations of seismic velocity, which may reflect important subsurface information, mainly related to particular archaeological targets. There are presented the results from the investigation of the subsurface of a part of the prehistoric settlement of Palamari (Skyros isl., Greece) of the foundations of the church of Dafni Monastery (Attica, Greece), of the interior of the artificial hill / possible tumulus at Kasta Messolakia (Serrae, Greece) and of the subsurface of the cemeteries of Chatby area (Alexandria, Egypt).

La lithosphère continentale est physiquement et chimiquement segmentée. La cartographie des isotopes radiogéniques de roches plutoniques acides, représentatives de la croûte continentale, et de laves basiques, représentatives du manteau, possède des similarités avec la cartographie sismique de la lithosphère sous-jacente. Ces similitudes permettent d’interpréter les observations sismiques en étudiant leurs caractéristiques chimiques et leur âge. Les isotopes du plomb permettent de dater et d’identifier l’empilement de segments crustaux qui forment la croûte. L’écart des âges modèles du plomb avec d’autres systèmes identifie le recyclage crustal et le réchauffement de la croûte au dessus de la température du système plomb-plomb. Le système plomb-plomb donne également accès au sous-étudié rapport Th/U qui contraint la profondeur de la source des roches continentales. Certains échantillons de l’ouest U.S.A. proviennent de la croute inférieure, et se sont formés par l’extension crustale ou par un flux de matériel au sein de la croûte. Les isotopes du néodyme et de l’hafnium marquent la fusion du manteau lithosphérique enrichis sous le Colorado Plateau, une région où est observée le détachement du manteau lithosphérique sub-continental. Ce manteau fond par décompression adiabatique, par extension localisée ou remontée asthénosphérique engendrée par la convection locale. Au final, l’association des systèmes isotopiques du plomb, du néodyme, et de l’hafnium avec la sismologie est une approche puissante pour étudier la formation et la déformation de la lithosphère continentale. / Continental lithosphere is physically and chemically segmented. The mapping at a continent size scale of radiogenic isotopes from plutonic acid rocks, sampling the continental crust, and from mafic lavas, sampling the mantle, has similarities with the seismic mapping of the underlying lithosphere. These similarities allow to interpret the seismic observations by studying their chemical characteristics and age. Lead isotopes are used to date and identify the stacking of crustal segments that form the crust. The deviation of Lead model ages with other system is used to identify crustal recycling and the heating of the crust above the Lead-Lead system closing temperature. The Lead-Lead system also give access to the under-studied Th/U ratio that constrains the depth of the continental rock sources. Somes samples from the Western U.S. are coming from the lower crust, formed by crustal extension or crustal flowing within the crust. Neodymium and Hafnium isotopes identify the fusion of an enriched lithospheric mantle under the Colorado Plateau, a place where lithospheric delamination has been observed. This mantle melts by adiabatic decompression due to localized expansion or asthenospheric upwelling caused by secondary convection. At the end, the merging of Lead, Neodymium, and Hafnium isotopic systems with seismology is a powerful tool to study the formation and deformation of the continental lithosphere.

Ce projet de recherche répond à l'objectif d'améliorer notre connaissance des processus élémentaires contrôlant le comportement hydrologique post-rupture des glissements de terrain argileux, afin de pouvoir comprendre, reproduire et éventuellement prévoir leur comportement par des modèles hydromécaniques adaptés. Ce travail consiste à améliorer et développer des méthodes de traitement et d'interprétation de paramètres géophysiques en milieu argileux et hétérogène. Les objectifs principaux de ce travail sont : 1. D'améliorer des méthodes géophysiques et géodésiques de mesure de la déformation et de la géométrie interne des glissements. 2. De caractériser les relations possibles entre géométrie et structure interne du glissement. 3. De développer et améliorer des méthodes de détection et d'imagerie des circulations préférentielles de fluide dans un milieu fissuré et déformable. 4. De caractériser temporellement et spatialement les réponses hydrologiques du versant. Un algorithme d'inversion haute-résolution des temps de premières arrivées est développé. Il utilise les volumes de Fresnel pour rétropropager les résidus ainsi que l'hypothèse d'un signal source de bande-passante finie et permet de retrouver une image haute-résolution de la structure du glissement. L'atténuation sismique des ondes-P est également inversée pour retrouver la distribution des zones fissurées en surface. Des méthodes photogrammétriques sont utilisées pour caractériser et quantifier les déformations de surface. Une méthode alternative à la corrélation d'image est développée, fondée sur la détection et le suivi de cibles. Le lien entre les variations de régime de déformation le long du profil, et l'existence de fissures en surface est finalement discuté. Les informations précédentes sont ensuite intégrées dans un modèle géométrique par une méthode de fusion de données. Par la modélisation numérique, nous vérifions si l'état de contrainte calculé peut être en rapport avec la distribution de la fissuration en surface. Une méthode de correction de l'effet géométrique des fissures sur les résistivités apparentes est développée. Différents types d'artefacts d'inversion liés à la présence de fissure sont identifiés et la capacité de la méthode proposée à réduire ces artefacts est testée. Une méthodologie de sélection et de traitement des données ERT time-lapse acquises sur une période d'un an est développée. La réponse électrique courte (de quelques heures à quelques jours) aux évènements pluvieux naturels est ensuite analysée pour proposer des modèles conceptuels de réponse hydrologique à ces évènements pluvieux. / The objective of this research project is the improvement of our knowledge of the elementary processes controlling the post-rupture hydrological behavior of clayey landslides. It should allow understanding, reproducing and possibly forecasting their behaviors by the use of adapted hydro-mechanical models. This work consists in the improvement and the development of geophysical parameters processing and interpretation methodologies in clayey and heterogeneous medium. The main objectives of this work are : 1. The improvement of geophysical and geodesic methods to measure the internal geometry and structure of the landslide. 2. The characterization of possible relationships between landslide internal geometry and structure, presence of discontinuities, slope hydrology and deformations. 3. The development and improvement of methodology for the detection and imaging of preferential flows in a fissured and deformable medium. 4. The spatial and temporal characterization of the hydrological response of the slope. A high resolution inversion algorithm of the first seismic arrivals is developed. It uses the Fresnel volumes for the retropropagation of the residuals and the assumptions of a finite-bandwidth source signal. It permits to recover a high resolution image of the internal structure of the landslide. The seismic P-wave attenuation is also inverted to characterize surface fissured zones. Photogrammetric methods are used to characterize and quantify the surface deformations. A method alternative to image correlation is developed, based on the target detection and tracking. The link between changes in deformation regime along the profile and the existence of surface fissures is finally discussed. The previous data are integrated inside a geometric model trough data fusion. Using numerical modeling, we verify if the state of stress computed is related to the surface fissure density distribution. A methodology of correction of the geometrical effect of fissures on apparent resistivity is developed. Different types of inversion artefacts, linked to the presence of surface fissures, are identified. The ability of the proposed method to limit this artifact is tested. A methodology of selection and processing of the time-lapse ERT data is developed. The short electrical response (from several hours to several days) to natural rainfall events is analyzed and conceptual hydrological responses to these rainfall events are proposed.

At the northern extent of the Cascadia subduction zone, the subducting Explorer and Juan de Fuca plates interact across a translational deformation zone, known as the Nootka fault zone. The Seafloor Earthquake Array Japan-Canada Cascadia Experiment (SeaJade) was designed to study this region. In two parts (SeaJade I and II, deployed from July – September 2010 and January – September 2014), seismic data from the SeaJade project has led to several important discoveries. Hypocenter distributions from SeaJade I and II indicate primary and secondary conjugate faults within the Nootka fault zone. Converted phase analysis and jointly determined seismic tomography with double-difference relocated hypocenters provide evidence to several velocity-contrasting interfaces seaward of the Cascadia subduction front at depths of ~4-6 km, ~6-9 km, ~11-14 km, and ~14-18 km, which have been interpreted as the top of the oceanic crust, upper/lower crust boundary, oceanic Moho, and the base of the highly fractured and seawater/mineral enriched veins within oceanic mantle. During SeaJade II, a MW 6.4 mainshock and subsequent aftershocks, known as the Nootka Sequence, highlighted a previously unidentified fault within the subducted Explorer plate. This fault reflects the geometry of the subducting plate, showing downward bending of the plate toward the northwest. This plate bend can be attributed to negative buoyancy from margin parallel mantle flow induced by intraslab tearing further northwest. Seismic tomography reinforces the conclusions drawn from the Nootka Sequence hypocenter distribution. Earthquakes from the entire SeaJade II catalogue reveal possible rotated paleo-faults, identifying the former extent of the Nootka fault zone from ~3.5 Ma. / Graduate

Title: Anisotropic tomography of the European upper mantle Author: Helena Žlebčíková Department: Department of Geophysics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University Training institution: Institute of Geophysics of the Czech Academy of Sciences (IG CAS) Supervisor: RNDr. Jaroslava Plomerová, DrSc., IG CAS Consultants: RNDr. Vladislav Babuška, DrSc., IG CAS RNDr. Luděk Vecsey, Ph.D., IG CAS Abstract: Large-scale seismic anisotropy of the continental mantle lithosphere derived from joint inversion/interpretation of directional variations of P-wave travel-time residuals and SKS-wave splitting calls for orientation of the symmetry axes to be treated generally in 3D. Nevertheless, most of the tomography studies neglect the anisotropy of the body waves completely or they are limited to either azimuthal or radial anisotropy. Therefore, we have developed a code called AniTomo for coupled anisotropic-isotropic travel-time tomography of the upper mantle. The novel code allows inversion of relative travel-time residuals of teleseismic P waves simultaneously for 3D distribution of P-wave isotropic- velocity perturbations and anisotropy of the upper mantle. We assume weak anisotropy of hexagonal symmetry with either the 'high-velocity' a axis or the 'low-velocity' b axis. The symmetry axis is allowed to be...

Cette thèse a été conduite dans le cadre du programme de coopération de recherche Algéro-française SPIRAL (Sismique Profonde et Investigations Régionales du Nord de l’Algérie). Ce projet vise à étudier la structure profonde de la marge algérienne par une approche combinée des techniques sismiques ; grand-angle et multi-canal. Le domaine couvert par la présente étude se concentre dans la région de Jijel dans la marge algérienne orientale. L’objectif principal de notre thèse est d'améliorer en profondeur l'imagerie de la marge algérienne en utilisant une combinaison de données sismiques grand-angle (OBS, sismomètres de fond de l'océan) et multi-canal (MCS). Le but de cette thèse est d'apporter de nouvelles connaissances pour répondre à quelques questions sur la nature de la croûte terrestre, la zone de transition continentale-océanique, la présence du sel messénien, sa distribution et sa relation entre les formations sédimentaires superficielles et les structures crustales. Dans cette étude, notre approche est une inversion jointe des enregistrements grand-angle et des données sismiques multi-canal. Nous avons conduit une série de tomographie des premières arrivées, une inversion jointe des arrivées réfractées et réfléchies ainsi qu’une modélisation gravimétrique. Etant donné que la solution du problème inverse n’est pas unique, deux programmes de tomographie ont été utilisés sur les mêmes données pour la même région d’étude à savoir : FAST (First Arrival Seismic Tomography) et Tomo2D. La tomographie a été suivie par une inversion jointe des arrivées réfractées et réfléchies suivant une approche basée sur la combinaison de la migration en profondeur « Kirchhoff » avant sommation (PSDM) des données de sismique réflexion multi-canal (MCS) et la modélisation directe des enregistrements grand-angle sur le fonds marin (OBS). Afin de vérifier la consistance du modèle de la vitesse avec les données gravimétriques, l’anomalie à l'air libre a été modélisée. Les résultats de l’imagerie conduite dans ce travail montrent la structure de la marge, la croûte continentale, la zone de transition continent-océan et la croûte océanique de la Méditerranée. La structure du modèle confirme les études antérieures basées sur des données bathymétriques, gravimétriques et magnétiques. Cette structure montre essentiellement : - un plateau continental étroit et pente continentale une très raide.- l’Expulsion du sel vers le nord impliquant la formation de diapirs au-dessus du flanc nord du bassin (plaine abyssale).- L’approfondissement et l’épaississement des séquences sédimentaires (bassin sédimentaire) près de la marge algérienne. Le modèle de vitesses obtenu et l’épaisseur des différentes unités structurales formant ce modèle apportent des arguments quantitatifs pour enrichir la connaissance de cette partie de la Méditerranée occidentale. Les couches sédimentaires dans le bassin montrent des vitesses sismiques allant de 1,9 km / s à 3,8 km / s. Les formations messéniennes ont été modélisées en utilisant une vitesse située entre 3,7 km / s à 3,8 km / s. La croûte continentale s’amincit sur une bande étroite de la marge dont la distance est d'environ 15 km. La vitesse de la croûte océanique dans cette région présente deux couches distinctes : l’une caractérisée par des vitesses variant de 4,7 km / s à 6.1 et l’autre de 6.2 à 7.1 km / s. La vitesse du manteau supérieur quant à elle a été modélisée par 7,9 km / s. / This thesis has been conducted within the framework of the Algerian-French research cooperation program SPIRAL (Sismique Profonde et Investigations Régionales du Nord de l’Algérie). This project aims to study the deep structure of the Algerian margin. The area covered by this study focuses in the region of Jijel in eastern Algerian margin.The main objective of our thesis is to improve depth imaging of the Algerian margin using a combined approach of seismic techniques; wide-angle and multi- channel seismic data. The purpose of this thesis is to bring new knowledge to answer some questions about the nature of the crust, the area of continental -oceanic transition, the presence of Messinian salt, its distribution and relationship between surface sedimentary formations and crustal structures.This study presents the results of a deep seismic survey across the north Algerian margin, based on the combination of 2D multi-channel and wide-angle seismic data simultaneously recorded by 41 ocean bottom seismometers deployed along a North-South line extending 180 km off Jijel into the Algerian offshore basin, and 25 land stations deployed along a 100 km-long line, cutting through the Lesser Kabylia and the Tellian thrust-belt.In this study, our approach is a joint inversion of wide-angle seismic recordings (OBS, ocean bottom seismometers) and multi- channel seismic data (MCS). We conducted a series of first arrivals tomography, a joint inversion of reflected and refracted arrivals and gravity modelling. Since the solution of the inverse problem is not unique, two tomography programs were applied using the same data for the same study area; FAST (First Arrival Seismic Tomography) and Tomo2D. Tomography was followed by a joint inversion of reflected and refracted arrivals following an approach based on the combination of Kirchhoff prestack depth migration (PSDM) for MCS data and forward modelling of OBS. To check the consistency of the velocity model with gravity data, the free air anomaly was modeled.The final model obtained using forward modelling of the wide-angle data and pre-stack depth migration of the seismic reflection data provides an unprecedented view of the sedimentary and crustal structure of the margin. The sedimentary layers in the Algerian basin are 3.75 km thick to the north and up to 4.5 to 5 km thick at the foot of the margin. They are characterised by seismic velocities from 1.9 km/s to 3.8 km/s. Messinian salt formations are about 1 km thick in the study area, and are modelled and imaged using a velocity between 3.7 km/s to 3.8 km/s. The crust in the deep sea basin is about 4.5 km thick and of oceanic origin, presenting two distinct layers with a high gradient upper crust (4.7 km/s - 6.1 km) and a low gradient lower crust (6.2 km/s - 7.1 km/s). The upper mantle velocity is constrained to 7.9 km/s. The ocean-continent transition zone is very narrow between 15 km to 20 km wide. The continental crust reaches 25 km thickness as imaged from the most landward station and thins to 5 km over a less than 70 km distance. The continental crust presents steep and asymmetric upper and lower crustal geometry, possibly due to either asymmetric rifting of the margin, an underplated body, or flow of lower crustal material towards the ocean basin. Present-time deformation, as imaged from 3 additional seismic profiles, is characterized by an interplay of gravity-driven mobile-salt creep and active thrusting at the foot of the tectonically inverted Algerian margin.