Les petits séismes ne sont pas destructeurs, ils font peu parler d'eux, pourtant ils sont très utiles. Ce mémoire d'HDR décrit à travers plusieurs travaux de recherche comment les petits séismes peuvent être utilisés pour (1) comprendre la source des séismes plus importants par un processus d'inversion des fonctions de Green empiriques (2) imager les failles actives grâce à des méthodes de localisation et relocalisation relative (3) prédire les mouvements du sol engendrés par des séismes majeurs à partir d'une méthode de simulation originale décrite en détail. Les travaux portent sur des séismes de magnitude 3 à 8 dans différentes régions du monde (Mexique, Antilles, Italie, Grèce, France).

L'utilisation d'une méthode de calcul rapide et complète des mouvements produits par une dislocation dans un milieu élastique stratifié, a permis de caractériser la radiation sismique dans le cas de mécanisme de coulissage. Considérant d'abord le cas de petits séismes, on a étudié les différents effets qui perturbent le signal originel et rendent ainsi hasardeuse la détermination classique des paramètres à la source (hypothèse de Fraunhofer dans un espace homogène). S'intéressant tant aux signaux qu'à leurs spectres, on a successivement mis en évidence l'influence des termes du champ proche, du couplage avec la surface, l'effet de la structure locale et celui de l'atténuation dans chaque couche. Comme application à l'évaluation du risque et à l'inginiérie sismique, on a considéré un modèle de croût complet et modelisé, entre 10 et 100 km de distance épicentrale, la décroissance des pics de vitesse du sol pour différentes profondeurs du foyer, puis l'on a déter* miné quelles sont les vitesses de phase du train d'onde sismique associées avec de fortes énergies. Considérant le cas de plus grands événements, on s'est intéressé moins au problème de propagation d'onde qu'à celui de l'effet de l'extension de la source. On a étudié ce qui, dans l'histoire d'une fracture, est cause de fortes accélérations . Dans ce sens on s'est intéressé aux cas d'une rupture dont l'ex pansion est discontinue et à une source composite. On a ainsi mis en évidence l'importance de la cinématique du front de rupture.

Le but de ce travail est une étude pluridisciplinaire de modélisation sismique 2D et d'inversion d'une coupe géologique de la bordure méridionale du Vercors. L'originalité de ce travail réside dans l'emploi de techniques qui mènent à la caractérisation sismique de réservoir à partir d'une coupe géologique. Le modèle géologique est construit à partir de l'étude sur le terrain des ameurements de la bordure de la plateforme urgonienne (Barrémien - Aptien inférieur). Les corrélations cartographiques et séquentielles de coupes lithologiques de détail permettent d'établir une coupe géologique de 16 kilomètres de long pour 800 mètres d'épaisseur environ. Les calcaires hémipélagiques du Barrémien inférieur et les calcaires bioclastiques du prisme de bas niveau et de l'intervalle transgressif de la séquence BA3 montrent une diminution d'épaisseur en direction du Nord. Cette géométrie résulte d'une érosion des couches du Barrémien inférieur et~Ùne disposition en biseau d'aggradation ("onlaps") des paraséquences du prisme de bas niveau et de l'intervalle transgressif de la séquence BA3 sur la limite SbB3. Ces calcaires bioclastiques ont pu être datés de la base du Barrémien supérieur. Les Calcaires urgoniens montrent une position rétrogradante par rapport aux calcaires bioclastiques de Glandasse, indiquant qu'ils appartiennent à une formation transgressive dont l'âge est Barrémien supérieur. L'échantillonnage des différents Iithofaciès identifiés permet de réaliser la mesure en laboratoire des propriétés pétrophysiques et acoustiques (Vp, Vs et densité) de ces roches. Des relations linéaires entre les vitesses et la porosité ou l'argilosité sont déterminées. Ces. relations sont utilisées pour construire les modèles d'impédance, à partir des valeurs de porosité d'un réservoir réel. La construction des modèles d'impédance est réalisée en accord avec les hypothèses de la stratigraphie séquentielle, toutes les limites des paraséquences sont des réflect,eurs potentiels. La modélisation sismique a été réalisée par deux approches différentes, tracé de rayons à déport nul et différences fmies "multioffset". Les signaux sources employés ont un contenu fréquentiel comparable à ceux généralement extraits des profils sismiques de prospection pétrolière. L'interprétation des profils sismiques est comparée à la coupe géologique. Cette comparaison montre qu'il est difficile de retrouver le découpage en séquences de dépôt "il partir de l'interprétation des relations géométriques et des terminaisons des biseaux des événements sismiques. La dernière partie de ce travail est consacrée à la mise en oeuye de deux techniques de caractérisation sismique de réservoirs sur les profils simulés. Dans un premier temps, une inversion stratigraphique a été réalisée sur les données modélisées par tracé de rayons. Les sections d'impédance acoustiques obtenues sont caractérisées par des valeurs d'impédance proches du modèle d'origine. Dans un second temps, les attributs sismiques après sommation sont employés pour réaliser une interprétation lithologique des données sismiques. L'emploi de l'impédance sismique comme attribut permet une première discrimination lithologique. Un second attribut (attribut instantané) permet de discriminer les classes lithologiques présentant la même impédance sismique. Les profils lithologiques obtenus après prédiction sont comparables au modèle géologique.

L'inversion des marges passives apparaît comme le premier stade vers l'initiation de nouvelles zones de subduction. Cette étape cruciale dans la tectonique des plaques soulève néanmoins encore de nombreuses questions. L'étude des marges actuellement réactivées en compression apparaît ainsi comme essentielle pour mieux comprendre ce processus. Ces marges sont peu nombreuses, situées dans des contextes géodynamiques variés, et les facteurs déterminant leur évolution mal contraints. Située au nord de l'Afrique, la marge algérienne fait partie de ces rares exemples potentiels à travers le monde. L'évolution de cette marge formée au Miocène en contexte d'arrière-arc s'intègre dans le puzzle complexe de l'histoire de la Méditerranée occidentale. Elle est depuis quelques millions d'années réactivée en compression dans le cadre de la convergence lente entre les plaques européenne et africaine, générant un potentiel sismogène fort au nord de l'Algérie. La relative jeunesse du bassin algérien, la charge sédimentaire, les forces aux limites compressives, constituent des conditions favorables à la formation d'une future subduction. A la suite des travaux menés depuis une dizaine d'années, les principales lacunes de connaissances identifiées portent sur (1) la structuration profonde du bassin algérien et de sa marge sud (type de marge, nature du socle, dimension et nature de la transition océan-continent, style et distribution de la déformation compressive), et (2) l'histoire de l'évolution cinématique et géodynamique du bassin, ce qui limite à l'heure actuelle une analyse approfondie des modalités d'inversion de cette marge. L'étude menée se focalise sur la marge centre-algérienne, dans le secteur de Tipaza (à l'ouest d'Alger), un endroit clé pour la compréhension des mécanismes d'ouverture du bassin algérien. Le traitement et l'analyse de nouvelles données de sismique profonde grand-angle et multitrace acquises dans le cadre du projet franco-algérien SPIRAL (Sismique Profonde et Investigations Régionales en Algérie, 2009) ont notamment permis de déterminer la structure crustale du bassin algérien et de sa marge sud, ainsi que la structuration pseudo-3D d'une structure spécifique au secteur d'étude constituée par le haut topographique sous-marin de Khayr-al-Din. L'analyse de la structure profonde de la marge indique un certain nombre de structures héritées de son évolution complexe: (1) une croûte de nature continentale de plus de 15 km d'épaisseur sur le haut de marge (banc de Khayr-al-Din), (2) une croûte fine de nature océanique de 5-6 km d'épaisseur dans le bassin incluant des vitesses légèrement élevées à sa base (7,2 km/s - 7,3 km/s), (3) des similitudes avec des marges formées dans des contextes de déformation transformante, (4) un approfondissement progressif de l'ensemble de la pile sédimentaire et l'épaississement des sédiments Plio-Quaternaire, depuis le bassin profond distal vers le pied de marge, coïncidant avec (5) une flexuration à grande longueur d'onde du socle. Les résultats obtenus apportent de nouvelles contraintes sur (1) la géométrie et la nature de la marge et du bassin, (2) l'évolution de la marge, suggérant une histoire multiphasée comprenant un stade de rifting et/ou d'accrétion océanique, suivi d'un épisode de déformation coulissante tardive liée à la migration du bloc Alboran vers l'ouest, et d'une reprise en compression distribuée du bassin profond au haut de la marge au Plio-Quaternaire; (3) les modalités de réactivation qui se traduisent par des chevauchements aveugles néoformés à pendages sud, notamment au pied du banc de Khayr-al-Din, suggérant un soulèvement du banc de 0,2 mm/an à 0,75 mm/an au Plio-Quaternaire et un début d'écaillage crustal.

L'analyse de vulnérabilité sismique du bâti existant nécessite le relevé de paramètres déterminant le comportement dynamique des structures. Dans les méthodes existantes comme HAZUS ou RiskUE, ces informations sont collectées par expertise visuelle ou choisies parmi des valeurs forfaitaires. Même dans le cas d'un diagnostic plus complet, les experts doivent se passer des plans de la structure, estimer la qualité des matériaux utilisés, leur vieillissement voire leur endommagement. Or, les vibrations ambiantes des bâtiments et les paramètres modaux (fréquences propres, amortissements et déformées modales) qui peuvent en être extraits incluent naturellement tous ces paramètres dans leur domaine de fonctionnement linéaire élastique. L'objectif de ce travail est d'utiliser au mieux ces paramètres modaux pour aider au diagnostic de vulnérabilité sismique. <br /><br />Un modèle modal dynamique linéaire fondé sur les paramètres modaux expérimentaux est proposé. La limite en déformation du premier endommagement a été fixée pour différents types de bâtiments. Ce modèle est notamment validé à l'aide d'enregistrements de séismes à l'Hôtel de Ville de Grenoble, une structure instrumentée par le Réseau Accélérométrique Permanent (RAP). Par ailleurs, la courbe de fragilité correspondant à l'état de dommage "Léger" est développée en utilisant de nombreux mouvements du sol simulés.<br /><br />Cette méthodologie a été appliquée à la ville de Grenoble où des tests sous vibrations ambiantes ont été menés sur 61 bâtiments. L'analyse modale a été réalisée grâce à la Frequency Domain Decomposition, une méthode qui permet de décomposer les modes, même s'ils sont proches. Une étude structurale de chaque type de bâtiment a été menée à l'aide des paramètres modaux expérimentaux et les courbes de fragilité ont été développées suivant la méthodologie proposée. Le risque sismique de la ville a également été étudié à l'aide de scénarios de séismes, dont les résultats ont été comparés à ceux d'une méthode d'analyse de vulnérabilité empirique.

L'une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L'objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l'approche des fonctions de Green empiriques et d'apporter des éléments pouvant aider au développement d'une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés : le séisme des Saintes Mw6.4 et le séisme de L'Aquila Mw6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d'accélérogrammes synthétiques d'un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d'un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. Cette approche a également été appliquée à la simulation d'un séisme historique pyrénéen Mw6.1. Dans une seconde partie, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites fractales avec l'approche des FGEs. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L'Aquila. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l'ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en œuvre d'une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d'entrée mal connus dans le cadre de la simulation d'un futur séisme.

Ce travail a pour objet d'analyser la capacité des réseaux de neurones artificiels (RNA) à prédire les mouvements sismiques avec des performances statistiques similaires aux techniques de régression par moindres carrés conduisant aux "équations de prédiction du mouvement du sol" (EPMS), utilisées classiquement depuis plusieurs décennies. Les principaux avantages de cette nouvelle approche RNA vis-à-vis des EPMS sont d'une part l'absence d'a priori sur les formes fonctionnelles régissant la dépendance aux différents paramètres, celle-ci devant "automatiquement" émerger des données, ainsi qu'une quantification simple de l'importance relative des variables indépendantes qui affectent le mouvement sismique du sol. Le présent travail s'appuie sur un sous-ensemble de la base de données sismique KiKNet, où les événements retenus ont une profondeur inferieure à 25 km, une magnitude comprise entre 3.5 et 7.3 et une distance épicentrale allant de 1 à 343 km. L'effet de site est pris en considération dans cette étude avec l'utilisation conjointe de la vitesse des ondes de cisaillement moyenne sur trente mètres de profondeur et la fréquence de résonance du site. L'analyse des données KiK-Net enregistrées en surface et en profondeur permet de calculer, par un RNA, les rapports d'amplification spectrale surface/profondeur afin d'estimer l'effet de site. La même approche est utilisée pour la prédiction des indicateurs de nocivité les plus communément utilisés en ingénierie parasismique, ainsi que pour la génération des pseudo-accélérations spectrales largement utilisées dans l'analyse dynamique des structures. Les résultats obtenus montrent que les modèles neuronaux élaborés sont relativement robustes et ne dépendent que faiblement de la base de données initiale. Ce résultat est intéressant pour les régions où les données sismiques sont rares. Les écarts-types obtenus pour ces modèles sont légèrement inferieurs à ceux des équations classiques de prédiction du mouvement sismique. Les modèles neuronaux établis ne nécessitent aucun a priori sur la nature de la forme fonctionnelle de la relation d'atténuation. L'atténuation du mouvement sismique avec la distance, l'effet d'échelle de la magnitude et l'effet de site non linéaire sont ainsi pris en considération "naturellement" par les RNA à partir du moment où ils existent dans le jeu de données initial. Les résultats obtenus indiquent également une influence significative de la profondeur focale et de la fréquence de résonance sur le mouvement sismique à la surface libre. La possibilité de mettre ces modèles en oeuvre à l'aide d'un tableur Excel ou autre est démontrée, ouvrant ainsi un très vaste champ d'utilisation.

La technique des corrélations de bruit ambiant est aujourd'hui largement utilisée en sismologie. Elle présente l'avantage essentiel de fournir des données qui ne dépendent pas de l'occurrence des séismes. Cette technique a été utilisée pour imager avec une bonne résolution la croûte dans plusieurs régions du monde. Depuis plus récemment, les corrélations de bruit sont également utilisées pour détecter des variations des propriétés élastiques de la croûte terrestre, et suivre l'évolution temporelle de structures géologiques potentiellement dangereuses. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté en deux parties principales : 1/ Une étude méthodologique pour améliorer la qualité des mesures sur les corrélations de bruit. La distribution des sources de bruit empêche généralement la reconstruction parfaite de la fonction de Green dans les corrélations de bruit, pouvant introduire des biais dans les mesures basées sur le bruit sismique ambiant. Nous présentons dans ce manuscrit deux approches différentes pour essayer d'éliminer l'influence des sources de bruit dans nos mesures. 2/ Une étude de suivi temporel dans la province du Sichuan (Chine), autour du séisme du Wenchuan (12 mai 2008, Mw = 7.9). Cette application offre des conditions exceptionnelles à une application de suivi temporel, avec l'étude d'un très puissant séisme continental et un très grand nombre de données. Nous nous sommes en particulier intéressés au comportement de la croûte à différentes profondeurs, en réponse au séisme. Nous présentons également une méthode d'inversion pour localiser les variations dans le milieu.

L'évaluation des risques naturels et du risque sismique en particulier a pris une importance croissante pour les autorités publiques ces dernières années, entraînant une adaptation importante des outils utilisés jusqu'à présent dans l'étude de la vulnérabilité du bâti. Il est nécessaire de mieux évaluer ces risques afin de mieux y faire face. De nouvelles approches doivent être proposées pour répondre à ces objectifs dont les approches numériques font partie. Parmi les méthodes numériques développées pour tenir compte de la spécificité du bâti maçonné figurent les approches par éléments discrets comme la méthode NSCD (« Non Smooth Contact Dynamics »). Les travaux présentés dans cette thèse visent à mieux appréhender le comportement mécanique et dynamique des ouvrages maçonnés en utilisant ce type de méthode implémenté dans le code calcul LMGC90, afin d'affiner la compréhension et la caractérisation de la vulnérabilité sismique des édifices en maçonnerie. La méthodologie que nous cherchons à mettre en place vise à traiter la vulnérabilité sismique de bâtiments spécifiques ou au contraire d'ensembles de bâtiments de même typologie. / The perception and the evaluation of natural risks and more particularly of the seismic hazard have never been so important and highlighted by the authorities. This phenomenon leads to a deep adjustment of tools used up to now in the assessment of the vulnerability of buildings. New approaches as numerical approaches have to be proposed so as to best estimate the risk. Among all the numeriacl methods developed to take into account specificities of masonry buildings, approaches by discrete elements methods as the NSCD method (“Non Smooth Contact Dynamics”) seem to be particularly well adapted. This PhD thesis aims to best understand the mechanical behaviour of masonry structures by using this discrete method implemented in the software LMGC90 so as to give an accurate estmation of the seismic vulnerability of buildings. The very purpose of this work is to develop a calculation tool able to deal with the vulnerabilityof both specific and common masonry buildings.

Le système de failles de Haiyuan qui borde le plateau du Tibet au Nord-Est est un système majeur sénestre. Au cours du dernier siècle, deux grands séismes (M~8) ont rompu ce système de failles: le séisme de Haiyuan en 1920 et le séisme de Gulang en 1927. A l'aide d'interférométrie radar à synthèse d'ouverture, nous analysons les variations spatiales et temporelles de la déformation intersismique au travers de la faille de Haiyuan, dans une zone étendue (150x150 km2) qui couvre l'extrémité Ouest de la rupture de 1920 et la lacune sismique de Tianzhu. Avec une approche dite en Small Baseline, nous traitons cinq séries temporelles d'images SAR, acquises par le satellite Envisat le long de tracks descendantes et ascendantes pendant la période allant de 2003 à 2009. Les cartes de vitesse moyenne de déformation dans la ligne de visée du satellite ainsi obtenues sont cohérentes avec un mouvement sénestre au travers de la faille et montrent des variations latérales du gradient de vitesse dans la zone de faille. Nous inversons ces cartes de vitesse moyenne en LOS pour obtenir le taux de chargement à court terme en profondeur et la distribution du glissement dans la partie sismogène le long du plan de faille. Le taux de chargement en profondeur est d'environ 5mm/an. Les sections de faille ayant rompu en 1920 et une grande partie de la lacune sismique de Tianzhu sont bloquées en surface. Entre ces deux sections, un segment de 35 km de long, qui montre une forte activité micro-sismique, glisse de manière asismique avec un taux de glissement horizontal qui atteint presque 5 mm/an. Cependant, le taux de glissement asismique le long de la partie sismogène varie le long du plan de faille et atteint localement des taux supérieurs au chargement tectonique, suggérant des variations temporelles du glissement asismique. La comparaison de profils moyens de vitesse parallèle à la faille issus de données InSAR sur les périodes 1993-1998 (données ERS) et 2003-2009 suggèrent une migration vers la surface du glissement asismique sur une période de 20~ans. Une analyse en séries temporelles des données Envisat, en appliquant un lissage temporel, montrent une accélération du taux de glissement asismique pendant l'année 2007. Cette accélération est précédée et a probablement été déclenchée par un séisme de magnitude 4.7 au sein même du glissement asismique. Enfin, nous étudions la relation entre l'évolution spatio-temporelle du glissement asismique en surface et la rugosité de la trace de la faille à l'aide d'une analyse multi-échelle. Nous montrons que les propriétés élastiques de la croûte cassante contrôlent la rugosité de la faille, qui exerce à son tour un contrôle sur la distribution de glissement asismique en surface. Le glissement asismique est fait de spasmes qui interagissent les uns avec les autres en suivant une loi d'échelle similaire à la loi de Gutenberg-Richter pour les séismes. / The Haiyuan fault system is a major left-lateral fault system bounding the tibetan plateau to the north-east. Two M~8 earthquakes ruptured that fault system in the past hundred years: the 1920, Haiyuan earthquake and the 1927, Gulang earthquake. Here, we use Synthetic Aperture Radar interferometry to explore the spatial and temporal variations of the interseismic deformation across the Haiyuan fault, over a broad (150x150 km2) area covering the 1920 rupture zone and the millennial Tianzhu seismic gap. Using a small baseline approach, we process five SAR images time series acquired by the Envisat satellite along descending and ascending orbits, spanning the 2003-2009 period. The resulting mean Line-Of-Sight velocity maps are, in overall, consistent with left-lateral motion across the fault and reveal lateral variations of the velocity gradient in the near fault zone. We invert these mean LOS velocity maps for the short-term loading rate on the fault plane at depth and for the shallow slip distribution along the seismogenic part of the fault. The short-term loading rate is about 5 mm/yr. The shallow sections of the fault, that ruptured in 1920 and the most part of the Tianzhu seismic gap are currently locked. In between, a 35 km-long section, that experiences a strong micro-seismic activity, is creeping at a mean horizontal rate of almost 5 mm/yr. However, the shallow creep rate varies along the fault strike and locally reaches values higher than the deep loading rate. This suggests temporal fluctuations of the observed aseismic slip. The comparison of InSAR-derived averaged profiles of the fault parallel velocity, spanning the 1993-1998 (ERS data) and 2003-2009 periods, suggests an upward migration of the creep over the 20 years-long observation period. A time series analysis on the Envisat dataset using a temporal smoothing reveals a creep rate increase during the year 2007. This rate increase follows and may have been triggered by a M4.7 earthquake that occurred on the creeping patch. We finally investigate the relationship between the spatio-temporal evolution of the surface creep and the roughness of the surface fault trace with a multiscale analysis. We show the control of the elastic properties of the brittle crust on the fault roughness, that in turn exerts a direct control on the surface aseismic slip distribution. The aseismic slip is made of locally interacting bursts that follow a scaling law similar to the Gutenberg-Richter law for earthquakes.