Bien que de nombreuses études géodynamiques et tectoniques aient été effectuées à partir l'activité sismique en Equateur, il n'existait pas à ce jour une tomographie complète utilisant l'ensemble des données du réseau sismologique Equatorien (RENSIG), mise à part une étude prélimaire sur la partie centrale de l'Equateur menée en 1994 par Prévot et coll. et de plusieurs profils sismiques déterminés à la suite des campagnes marines SALIERI et SISTEUR. Inverser les centaines de millier de temps d'arrivées d'ondes P et S, de qualité inégale, formant le catalogue RENSIG était le défi qu'a constitué le sujet de cette thèse.Nous décrivons comment nous avons complété le catalogue RENSIG par des données provenant du Nord du Pérou et comment nous avons homogénéisé et filtré l'ensemble de données résultant, comportant plus de 800 000 temps d'arrivée correspondant à plus de 50 000 séismes. Pour inverser ces données nous avons adopté une approche Bayésienne. Nous montrons comment le problème peut être reformulé dans un contexte Gaussien par un changement de variables, tout en imposant une statistique robuste aux données, qui conduit à un problème de moindre carrés non linéaire. Nous détaillons particulièrement la régularisation du problème au travers des noyaux de covariance qui conduit à définir des paramètres de contrôle fort utils pour l'inversion. Nous montrons également qu'inverser des différences de données revient à introduire des termes spécifiques de corrélation dans la matrice de covariance des données, tout en conservant les données brutes. Nous indiquons finalement comment le calcul de l'indice de restitution permet de définir une zone de confiance du modèle résultant de l'inversion.L'inversion a été menée pratiquement en utilisant les codes informatiques (en Fortran 2003 par B. Potin, B. Valette, V. Monteiller): LOCIN (localisation) et INSIGHT (tomographie). La région finale d'étude est constituée par une boite parallélipipédique de dimension 590$times$770 km$^2$ de base et de 244 km de hauteur qui contient la topographie de la surface. Le modèle est constitué d'une part des valeurs de $v_P$ et $v_P/v_S$ sur une grille ayant 5 km de pas horizontal et 2 km de pas vertical et, d'autre part, des paramètres d'identification spatiale et temporelle des séismes. Un ensemble de tests nous a permis de déterminer des valeurs raisonables de ces paramètres au travers d'un analyse de type courbe en L.Nous avons obtenu une amélioration de la localisation de la sismicité, qui nous a permis de mieux décrire les essaims superficiels comme ceux de Pisayambo, Macas et du Reventador et d'identifier des linéaments en relation avec la Tectonique. Nous avons également obtenu une image de la sismicité à profondeur intermédiaire qui est dominée par la présence de 4 nids sismiques, ceux de Madonaldo, La Man'a et de Guayaquil à des profondeurs entre 75 et 115 km et celui de Puyo à de plus grandes profondeurs. La zone de Wadati-Benioff nous a permis de définir la profondeur du slab jusqu'à des profondeurs de 100-150 km en fonction de la latitude et d'observer la décroissance du pendage de 25° environ au nord et au centre de l'Equateur jusqu'à environ 10° au sud puis au nord du Pérou. Par ailleurs, l'analyse du champ de vitesse des ondes P suggère fortement que le slab est coupé en deux morceaux, le morceau sud passant sous le morceau nord au niveau du nid sismique de Puyo. Le modèle $v_P/v_S$ présente une forte anomalie positive de ce rapport le long de la cordillère occidentale à des profondeurs entre 30 et 50 km qui caractérise des matériaux partiellement fondus et correspond au réservoir d'alimentation profond de l'arc volcanique. Enfin, nous avons déduit de notre modèle un modèle de profondeur de Moho en prenant la profondeur de maximum de la norme du gradient de vitesse entre les vitesses de 7.2 et 7.4 km/s et en incorporant l'information sur la profondeur de Moho provenant des campagnes SALIERI et SISTEUR dans la marge active. / Although there have been numerous studies on the geodynamics and the tectonics in Ecuador based on the seismic activity, there has not been to date a comprehensive tomography study using the entire database of the National Seismic Network (RENSIG). Only a preliminary limited study was performed by Prevot et al. to infer a simple P velocity model in central Ecuador, and several profiles in the South-Colombian-Ecuador margin were also investigated by using travel time inversion of wide-angle seismic data obtained during the two marine experiments SISTEUR and SALIERI. Inverting the hundreds of thousands of arrival times of P and S waves of uneven quality that constitutes the RENSIG catalogue is the challenging subject of this thesis.We describe how we complemented the RENSIG catalogue with data from the Northern Peru network and how we homogenized and filtered the resulting dataset of more than 800 000 first arrival times of P and S waves corresponding to more than 50 000 earthquakes. To invert these data for both the velocity models and the event locations we adopted a Bayesian approach. We show how the problem can be recast in the Gaussian framework by changes of variable while imposing a robust statistics to the data, and how it leads to a generalized nonlinear least squares problem. We detail in particular the regularization of the models through the smoothing and damping properties of the covariance kernels. We also show that inverting differences in data instead of the raw data amounts to the introduction of specific correlation terms in the data covariance matrix, while keeping the same set of data. We finally indicate how the computation of the averaging index allows the delimitation of a confidence region for the resulting model.The practical inversion has been carried out by using the two Fortran 2003 codes (B. Potin, B. Valette, V. Monteiller): LOCIN (prior localization) and INSIGHT (tomography). The final study region is a parallelepipedic box of 590$times$770 km$^2$ area and 244 km height that contains the topography of the surface. The models consist of the $v_P$ and $v_P/v_S$ fields discretized over a grid, the spacing of which is 5 km in the horizontal directions and 2 km in the vertical one, and of the spatial and temporal parameters of the seismic events. A battery of tests allowed us to set reasonable values for these tuning parameters through an L-curve analysis.We obtained the spatial distribution of the seismicity with an improved accuracy which allows us to describe with more details the shallow seismic clusters, as those of Pisayambo, Macas, Reventador, and to identify lineaments in the seismicity in relation with tectonics. We obtained also a clear image of the intermediate depth seismicity wich is dominated by 4 nests, namely the Maldonado, La Man'a, and Guayaquil nests, at depths ranging between 75 km and 115 km, and the Puyo nest at much deeper depths. The Wadati-Benioff zone allowed us to clearly defined the topography of the slab only to a depth to about 110-150 km, depending on the latitude, and to observe the decrease of the dip angle from about 25° in northern and central Ecuador down to about 10° in southern Ecuador and northern Peru. On the other hand, the analysis of the P velocity clearly suggests that the slab is broken in two pieces, the southern one passing under the northern at the level of the Puyo nest. The $v_P/v_S$ model presents a high anomaly of the ratio along the western cordillera at a depth ranging between 30 km and 50 km that characterized partially melted rocks and corresponds to the feeding reservoir of the volcanic arc. Finally, we deduced the Moho depth from our model by taking the depth for which the norm of the velocity gradient is maximum between 7.2 and 7.4 km/s and by incorporating information on the Moho depth provided by the SISTEUR and SALIERI experiments in the convergent margin.

L'existence de glissements lents a été observé pour la première fois en Californie, sur une portion de la faille de San Andreas (Steinbrugge et al., 1960,Tocher 1960). Ils ont ensuite été détéctés dans les années 90s avec l'avènement des GPS. Les interactions entre glissement lents, ou glissements asismiques (qui n'émettent pas d'ondes élastiques) et les glissements sismiques est cependant mal connue.Pourtant, cette question est fondamentale puisque des glissements lents ont été observés avant plusieurs séismes.Par exemple, l’installation d’un glissement lent avant le séisme d’Izmit de 1999 en Turquie a été mise en évidence grâce à l’analyse de signaux répétitifs (Bouchon et al., 2011). De même, en étudiant le comportement des séismes répétitifs avant le méga-séisme de Tohoku de 2011, deux séquences de glissement lent en direction du point d’initiation ont été observées (Kato et al., 2012). D’autres glissements lents précédents des séismes de grandes ampleurs ont été reportés, notamment au Mexique, avant le séisme de Papanoa (Radiguet et al., 2016) de magnitude 7.3 et au Chili, avant le séisme d’Iquique de 2014 de magnitude 8.2 (Ruiz et al., 2014).L'objectif de ce travail de thèse est de mieux caractériser les interactions qui existent entre glissements sismiques et asismiques dans une zone de subduction très largement instrumentée: le Japon.La très grande densité des réseaux Japonais (sismique courte et longue période, GPS) autorise des seuils de détection des glissements sismiques ou lents très bas, et permet d'utiliser des méthodes de réseaux afin de maximiser le rapport signal sur bruit. La recherche d'épisodes de déformation lente est basée sur plusieurs types d'observables et de méthodes, et est complétée par l'analyse des changements de taux de sismicité accompagnant ces épisodes. Cette thèse vise ainsi à mieux comprendre comment du glissement lent peut -ou non- accélérer l'occurrence de grands séismes, et les conditions requises pour se faire. / Transient aseismic slip events (that do not emit elastic waves) were first discovered on the San Andreas fault in central California in 1960 (Steinbrugge et al., 1960, Tocher 1960) and were later confirmed by the development and installation of GPS stations. Aseismic slip can occur on continental faults as well as on subduction zones. However, the interactions between aseismic and seismic slips are not fully captured yet. Understanding the mechanisms at stake on fault planes is fundamental since several large earthquakes were preceded by aseismic slip episodes.For example, the setting of a slow slip event before the 1999 Izmit earthquake in Turkey was evidenced by the observation of repeating signals at one station (Bouchon et al., 2011). Also, by studying repeating earthquakes before the 2011 Tohoku earthquake, two slow slip episodes that migrated towards the rupture intitiation were observed (Kato et al., 2012). Other transient slips preceding large earthquakes occurred, including in Mexico, before the M7.3 Papanoa earthquake (Radiguet et al., 2016) and in Chile, before the 2014 Iquique earthquake (Ruiz et al., 2014).The aim of this thesis is to better characterize the interactions between seismic and aseismic slip that can occur in a subduction zone largely instrumented: Japan.The very high density of the japanese monitoring networks(seismic networks, both at short and long periods, and GPS network), allows the detection ofseismic and aseismic slip events with low intensity / size, and is amenable to the use of arraymethods to improve the signal-to-noise ratio. The search for episodes of transient deformation will be based on several observables andtechniques, and is complemented by the analysis of the changes in earthquake rates concomittent to these episodes. This work thus gives new clues on how aseismic deformation can -or not- accelerate the occurrence of strong earthquakes, and on what are the conditions (tectonic, dynamic) for this to happen.

Les systèmes sédimentaires carbonatés forment à la fois des archives géologiques uniques des changements globaux-locaux des enveloppes externes de la Terre et renferment plus de 75 % des réserves d'hydrocarbure conventionnelles. Ils sont complexes et très difficiles à comprendre et à prédire. Cette complexité à toutes les échelles spatio-temporelles rend nécessaire l'intégration de méthodes naturalistes et quantitatives pour les étudier. La modélisation numérique basée processus permet de réduire les incertitudes des prédictions des propriétés des réservoirs carbonatés.Le manuscrit présente une méthode de modélisation itérative des systèmes carbonatés de la stratigraphie à la sismique en intégrant la diagenèse. Cette approche est basée sur le couplage de plusieurs outils numériques et par une démarche de travail combinant la sédimentologie, la diagenèse, la physique des roches et la simulation sismique.L’approche de modélisation développée permet ainsi d’intégrer un grand nombre de données multi-échelles et multidisciplinaire au sein d’un modèle facilement partageable entre toutes les disciplines en géosciences. L’intégration de ces nombreuses données est facilitée par un continuum du modèle entre les différentes échelles d’espace et de temps (du bassin au réservoir). La sismique synthétique ainsi obtenue n’est pas une simple convolution géométrique, elle intègre les propriétés sédimentologiques et diagénétiques, permettant une analyse de la signification stratigraphique des réflecteurs sismiques. Cette approche innovante intègre les méthodes naturalistes et quantitatives nécessaires à la compréhension et à la prédiction des systèmes carbonatés. / Carbonate sedimentary systems record both global and local geological changes of the outer envelope of the Earth and contain more than 75% of conventional hydrocarbon reserves. These carbonate systems show a great complexity at every spatial and temporal scales. To increase our ability to understand and predict such intricate natural systems, it is necessary to integrate naturalistic and quantitative methodological apporaches. Numerical process-based modeling (stratigraphic-sedimentary-diagenetic) reduces the uncertainty of prediction of carbonate reservoir properties. The manuscript presents a method of iterative modeling of carbonate systems from stratigraphy to seismic by integrating diagenesis. This approach is based on the coupling of numerical tools and a working approach combining sedimentology, diagenesis, rock physics and seismic simulation. Tests on case studies associated with scientific and industrial issues validated the method.The modeling approach that was developed during the thesis allows to integrate a large number of multi-scale and multidisciplinary data. Models can easily be shared between the disciplines of geosciences. The model continuum along different scales of space (from the basin to the reservoir) and time eases the integration of various data. The obtained synthetic seismic is not a simple geometric convolution, but an integration of sedimentological and diagenetic properties, which allows for an analysis of the stratigraphic significance of the seismic reflectors. This innovative approach integrates naturalistic and quantitative methods, which improve the understanding and prediction of carbonate systems and reservoirs.

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.

Dans cette thèse, nous étudions le problème de la localisation de sources sismo-volcanique, à partir des données enregistrées par des réseaux de capteurs composés de nouveaux sismomètres à trois composantes (3C). Nous nous concentrerons sur le volcan Ubinas, l'un des plus actifs au Pérou. Nous développons une nouvelle approche (MUSIC-3C) basée sur la méthode MUSIC permetant de retourner les 3 paramètres utiles (lenteur, azimut et incidence). Pour valider notre méthodologie, nous analysons des sources synthétiques propagées en tenant compte de la topographie du volcan Ubinas. Dans cette expérience, les données synthétiques ont été générées pour plusieurs sources situées à différentes profondeurs sous le cratère Ubinas. Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour les relocaliser. Nous traitons également des données réelles provenant d'une expérience de terrain menée sur le volcan Ubinas (Pérou) en 2009 par les équipes de recherche de l'IRD-France (Institut de Recherche pour le Déveleppment), UCD l'Irlande (projet VOLUME) et l'Institut de Géophysique du Pérou (IGP). Nous utilisons l'algorithme MUSIC-3C pour localiser les événements explosifs (type vulcanien), ce qui nous permet d'identifier et d'analyser les processus physiques de ces événements, à la suite de cette analyse, nous avons trouvé deux sources pour chaque explosion situées à 300 m et 1100 m en dessous du fond du cratère actif. Basé sur les mécanismes éruptifs proposés pour d'autres volcans du même type, nous interprétons la position de ces sources ainsi que les limites du conduit éruptif impliqué dans le processus de fragmentation. / In this thesis, we study the seismo-volcanic source localization using data recorded by new sensor arrays composed of three-component (3C) seismometers deployed on Ubinas stratovolcano (Peru). We develop a new framework (MUSIC-3C) of source localization method based on the well-known MUSIC algorithm. To investigate the performance of the MUSIC-3C method, we use synthetic datasets designed from eight broadband isotropic seismic sources located beneath the crater floor at different depths. The fundamental scheme of the MUSIC-3C method exploits the fact of the cross-spectral matrix of 3C array data, corresponding to the first seismic signal arrivals, provides of useful vector components (slowness, back-azimuth and incidence angle) from the seismic source. Application of the MUSIC-3C method on synthetic datasets shows the recovery of source positions. Real data used in this study was collected during seismic measurements with two seismic antennas deployed at Ubinas volcano in 2009, whose experiment conduced by volcanic teams of IRD-France (l'Institute de Recherche pour le Déveleppment), Geophysics group University College Dublin Ireland and Geophysical Institute of Peru (IGP). We apply the MUSIC-3C algorithm to investigate wave fields associated with the magmatic activity of Ubinas volcano. These analysis evidence a complex mechanism of vulcanian eruptions in which their seismic sources are found at two separated sources located at depths of 300 m and 1100 m beneath the crater floor. This implies the reproduction of similar mechanisms into the conduit. Based on the eruptive mechanisms proposed for other volcanoes of the same type, we interpret the position of this sources as the limits of the conduit portion that was involved in the fragmentation process.

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.

Les Installations de Stockage de Déchets actuelles sont munies de barrieres de confinement composites géosynthétiques et minerales. En couverture, les interfaces entre composants de ces systèmes installés sur forte pente peuvent constituer des surfaces de glissement préférentiel. L'étude de ces interfaces est donc cruciale pour l'évaluation de la stabilité des barrières de ces installations. Le comportement de ces interfaces, en particuliers des interfaces géosynthétique - géosynthétique se révèle complexe: il va dépendre de la nature des polymères, de l'endommagement , de la vitesse de glissement relatif, de la température. Les conditions de chargement sont aussi primordiales, statiques ou dynamiques (cas de seisme). L'originalité du travail effectué dans le cadre de la présente étude tient d'abord aux dispositifs expérimentaux utilisés en parallèle, un Plan incliné et une Table Vibrante, les deux permettant de simuler les conditions réelles sur site, sous faible contrainte normale, en conditions d'une part statiques, d'autre part dynamiques. Des procédures d'essai nouvelles ont permis une interprétation fine des résultats d'essais. En particulier la variation du frottement en fonction de la cinétique d'essai est clairement démontrée, et le couplage des résultats obtenus dans les deux configurations d'essai permet de montrer que leur interprétation est complexe et ne peut se limiter à celle proposée par la norme européenne. En particulier, le niveau du déplacement relatif et la vitesse de déplacement influent significativement sur les résultats. Une étude spécifique de l'endommagement est aussi présentée. / Modern landfills are equipped with multi-layered liners, including geosynthetic-geosynthetic and soil-geosynthetic interfaces. The interfaces represent weakness surfaces where the shear strength is a crucial aspect for the landfill stability. The behaviour of each interface can be different depending on the interactions of the materials in contact under the different load conditions (i.e. static and seismic loading). Nevertheless, the assessment of the geosynthetic interface shear strength can be difficult depending on different factors such as mechanical damage, time-dependent processes (ageing), stress dependent processes (such as repeated loading), coupled effects of both time and stress-strain dependent processes (creep or relaxation). In the present work, the static and the dynamic behaviour of typical geosynthetic - geosynthetic interfaces is investigated by means of the Inclined Plane and the Shaking Table tests since both devices permit to simulate experimental conditions close to them expected in landfill cover systems (low normal stress, small and large deformations). Two new test procedures are proposed and applied in order to assess the interface friction at both devices during all the phases of the tests. Taking advantage of the complementarity of both facilities, an innovative interpretation of test results considering the evolution of the shear strength parameters, passing from the static to the dynamic loading conditions, from small to large displacements is carried out. Furthermore, the dependence of the interface friction on different parameters such as the kinematic conditions, the normal stress and the mechanical damage is also investigated. In light of test results, it has been demonstrated that the variation of the interface friction could be significant, depending on the loading conditions (static or dynamic), on the actual kinematic conditions and on the level of deformation at which the interface is subjected.

Lors de la prospection sismique, un réseau de capteurs, utilisant principalement des géophones, est déployé à la surface libre afin d'enregistrer les ondes sismiques provenant du sous-sol. Cependant, l'énergie captée par ces géophones est largement dominée par les ondes de surface ou ondes de Rayleigh produites par la source. Étant donné leur nature, ces ondes de surface ne contiennent aucune information sur la composition des couches géologiques profondes. De ce fait, il est nécessaire d'employer un réseau très fin de capteurs dans le but de caractériser précisément ces composantes puis de les filtrer par des techniques de traitement du signal. Toutefois, les coûts engendrés nécessitent de nouvelles méthodes d'acquisition des ondes sismiques, employant moins de capteurs et permettant d'élargir le pas du réseau. Une telle technique a été mise en évidence, moyennant une mesure précise des rotations de la surface libre. La piste explorée dans ce manuscrit est l'utilisation d'un capteur MEMS haute performance pour mesurer les rotations de la surface libre, avec un coût, un poids et une consommation électrique minimaux. Plus particulièrement, le choix s'est porté sur la réalisation d'un accéléromètre angulaire, mesurant la rotation d'entrainement de son référentiel. La conception du capteur MEMS proposé utilise une technique de mesure différentielle de capacités et un contrôle en boucle fermée reposant sur la modulation ΣΔ. Un important travail de modélisation et de simulation a permis la fabrication de plusieurs prototypes qui ont ensuite été caractérisés. Une résolution fondamentale de 3 mrad.s-2 RMS dans une bande de fréquences comprises entre 60 Hz et 200 Hz a ainsi été obtenue. Les performances mesurées surpassent de loin celles d'autres accéléromètres angulaires de la littérature. Finalement, des analyses comparatives avec d'autres instruments de mesure ont permis de conclure sur la faisabilité de notre solution pour la prospection sismique. / In seismic exploration, most of the signal acquired by point-receiver geophones is dominated by surface waves or ground rolls. Because they propagate in the near surface, ground rolls do not contain any information on deeper targets. Thus, short spacing between receivers is required so that this noise component can be accurately characterized and removed by digital filtering. However, considering the cost of seismic exploration ventures, new acquisition techniques using fewer point receivers and larger spacing have to be developed. Such a technique is briefly introduced in this dissertation, requiring accurate measurements of ground rotations at the free surface with minimum cost, weight and power consumption. To address this need, the thesis proposes a high-performance rotation sensor based on MEMS technology. Unlike vibrating gyroscopes, sensitive to rotation rates through Coriolis effect, the solution developed is an angular accelerometer designed for differential capacitance measurements. A feedback controller is also implemented utilizing an oversampled ΣΔ -modulator to increase dynamic performances of the system. Thorough analytical designs along with simulations are challenged by fabricated prototypes measurements to achieve a high-sensitivity, high-resolution device. An experimental resolution of 3 mrad.s-2 RMS in the frequency band 60 Hz - 200 Hz is then obtained, which is far better than other micromachined angular accelerometers from literature. Moreover, comparison analyses are performed with specific instruments used for rotational seismology to conclude on the feasibility of a MEMS-based rotation sensor for seismic exploration.

Les pentes ont toujours été un sujet de discussion pour les ingénieurs en géotechnique. Leurs stabilités étant d’une importance majeure, puisque leur effondrement peut causer la perte d’inestimables et précieuses vies humaines. C’est l’une des raisons qui nous a poussé à étudier la sécurité des pentes. Dans ce projet, on a essayé de se concentrer sur les sols fins et plus précisément les argiles, pour voir l’effet de la variation de l’indice de plasticité sur la stabilité dynamique des pentes et des remblais construits sur des dépôt d’argile. On a aussi essayé d’étudier l’effet de la variation des zones sismiques au Québec (zone 3, 4 et 5) sur la stabilité des pentes face à des séismes de différentes caractéristiques. Alors, pour ce faire, plus que 2000 simulations numériques ont été réalisées sur un logiciel de calcul dynamique, FLAC, afin d’étudier le comportement de différentes pentes de 10 et 20 m d’épaisseur de dépôt (avec une hauteur de pente constante de 10 m) qui présentent une augmentation de cohésion de couche en sous-couche (delta) de 1,5, 2 et 2,5. La méthode pseudo-spectrale (récemment développée à l’université de Sherbrooke), qui se présente comme remplaçante à la méthode pseudostatique, a été utilisée pour comparer ses résultats avec ceux de la littérature et ensuite pouvoir la valider. L’effet de l’ajout d’une berme sur la stabilité dynamique a été également étudié.