L’estimation et la localisation de sources sont des problèmes centraux en traitement d’antenne, en particulier en télécommunication, sismologie, acoustique, ingénierie médicale ou astronomie. Une antenne de capteurs est un système d’acquisition composé par de multiples capteurs qui reçoivent des ondes en provenance de sources de directions différentes: elle échantillonne les champs incidents en espace et en temps.Pour cette raison, des techniques haute résolution comme MUSIC utilisent ces deux éléments de diversité, l’espace et le temps, afin d’estimer l’espace signal engendré par les sources incidentes, ainsi que leur direction d’arrivée. Ceci est généralement atteint par une estimation préalable de statistiques de deuxième ordre ou d’ordre supérieur, comme la covariance spatiale de l’antenne, qui nécessitent donc de temps d’observation suffisamment longs.Seulement récemment, l’analyse tensorielle a été appliquée au traitement d’antenne, grâce à l’introduction, comme troisième modalité (ou diversité), de la translation en espace d’une sous-antenne de référence, sans faire appel à l’estimation préalable de quantités statistiques.Les décompositions tensorielles consistent en l’analyse de cubes de données multidimensionnelles, au travers de leur décomposition en somme d’éléments constitutifs plus simples, grâce à la multilinéarité et à la structure de rang faible du modèle sous-jacent.Ainsi, les mêmes techniques tensorielles nous fournissent une estimée des signaux eux-mêmes, ainsi que de leur direction d’arrivée, de façon déterministe. Ceci peut se faire en vertu du modèle séparable et de rang faible vérifié par des sources en bande étroite et en champs lointain.Cette thèse étudie l’estimation et la localisation de sources par des méthodes tensorielles de traitement d’antenne.Le premier chapitre présente le modèle physique de source en bande étroite et en champs lointain, ainsi que les définitions et hypothèses fondamentales. Le deuxième chapitre passe en revue l’état de l’art sur l’estimation des directions d’arrivée, en mettant l’accent sur les méthodes haute résolution à sous-espace. Le troisième chapitre introduit la notation tensorielle, à savoir la définition des tableaux de coordonnées multidimensionnels, les opérations et décompositions principales. Le quatrième chapitre présente le sujet du traitement tensoriel d’antenne au moyen de l’invariance par translation.Le cinquième chapitre introduit un modèle tensoriel général pour traiter de multiples diversités à la fois, comme l’espace, le temps, la translation en espace, les profils de gain spatial et la polarisation des ondes élastiques en bande étroite.Par la suite, les sixième et huitième chapitres établissent un modèle tensoriel pour un traitement d’antenne bande large cohérent. Nous proposons une opération de focalisation cohérente et séparable par une transformée bilinéaire et par un ré-échantillonnage spatial, respectivement, afin d’assurer la multilinéarité des données interpolées.Nous montrons par des simulations numériques que l’estimation proposée des paramètres des signaux s’améliore considérablement, par rapport au traitement tensoriel classique en bande étroite, ainsi qu’à MUSIC cohérent bande large.Egalement, tout au long de la thèse, nous comparons les performances de l’estimation tensorielle avec la borne de Cramér-Rao du modèle multilinéaire associé, que nous développons, dans sa forme la plus générale, dans le septième chapitre. En outre, dans le neuvième chapitre nous illustrons une application à des données sismiques réelles issues d’une campagne de mesure sur un glacier alpin, grâce à la diversité de vitesse de propagation.Enfin, le dixième et dernier chapitre de cette thèse traite le sujet parallèle de la factorisation spectrale multidimensionnelle d’ondes sismiques, et présente une application à l’estimation de la réponse impulsionnelle du soleil pour l’héliosismologie. / Source estimation and localization are a central problem in array signal processing, and in particular in telecommunications, seismology, acoustics, biomedical engineering, and astronomy. Sensor arrays, i.e. acquisition systems composed of multiple sensors that receive source signals from different directions, sample the impinging wavefields in space and time. Hence, high resolution techniques such as MUSIC make use of these two elements of diversities: space and time, in order to estimate the signal subspace generated by impinging sources, as well as their directions of arrival. This is generally done through the estimation of second or higher orders statistics, such as the array spatial covariance matrix, thus requiring sufficiently large data samples. Only recently, tensor analysis has been applied to array processing using as a third mode (or diversity), the space shift translation of a reference subarray, with no need for the estimation of statistical quantities. Tensor decompositions consist in the analysis of multidimensional data cubes of at least three dimensions through their decomposition into a sum of simpler constituents, thanks to the multilinearity and low rank structure of the underlying model. Thus, tensor methods provide us with an estimate of source signatures, together with directions of arrival, in a deterministic way. This can be achieved by virtue of the separable and low rank model followed by narrowband sources in the far field. This thesis deals with source estimation and localization of multiple sources via these tensor methods for array processing. Chapter 1 presents the physical model of narrowband elastic sources in the far field, as well as the main definitions and assumptions. Chapter 2 reviews the state of the art on direction of arrival estimation, with a particular emphasis on high resolution signal subspace methods. Chapter 3 introduces the tensor formalism, namely the definition of multi-way arrays of coordinates, the main operations and multilinear decompositions. Chapter 4 presents the subject of tensor array processing via rotational invariance. Chapter 5 introduces a general tensor model to deal with multiple physical diversities, such as space, time, space shift, polarization, and gain patterns of narrowband elastic waves. Subsequently, Chapter 6 and Chapter 8 establish a tensor model for wideband coherent array processing. We propose a separable coherent focusing operation through bilinear transform and through a spatial resampling, respectively, in order to ensure the multilinearity of the interpolated data. We show via computer simulations that the proposed estimation of signal parameters considerably improves, compared to existing narrowband tensor processing and wideband MUSIC. Throughout the chapters we also compare the performance of tensor estimation to the Cramér-Rao bounds of the multilinear model, which we derive in its general formulation in Chapter 7. Moreover, in Chapter 9 we propose a tensor model via the diversity of propagation speed for seismic waves and illustrate an application to real seismic data from an Alpine glacier. Finally, the last part of this thesis in Chapter 10 moves to the parallel subject of multidimensional spectral factorization of seismic ways, and illustrates an application to the estimation of the impulse response of the Sun for helioseismology.

Les roches argileuses, très sensibles à la dégradation par les agents atmosphériques, se caractérisent par des mécanismes de glissement complexes, impliquant des glissements/éboulements de versants et la reprise ultérieure des matériaux argileux glissés et déstructurés par des laves torrentielles. Ce double mécanisme, très fréquent dans les Alpes, pose un problème aux responsables de l'aménagement du territoire, en raison de la soudaineté et de la dangerosité des éboulements et des laves torrentielles en cas de forte pluviométrie. Récemment, les méthodes de traitement du bruit sismique acquis en continu sur des mouvements de terrain rapides (éboulements et glissements coulées dans les sols argileux) ont montré qu'il était possible de mesurer des variations de paramètres sismiques (fréquences de résonance, vitesse de propagation des ondes S) de la zone instable. Dans deux cas d'étude (éboulement et coulée), le suivi temporel de ces paramètres à partir du bruit sismique a montré une variation significative avant le déclenchement d'un évènement gravitaire, pouvant être interprétée comme un signal précurseur. Le projet présenté vise à mettre au point une méthodologie de suivi temporel des mouvements complexes affectant les roches argileuses à partir de mesures de bruit sismique et d'acquisitions photogrammétriques. Des capteurs sismiques ont été implantés à la fois dans la zone de départ des éboulements et dans les ravines qui canalisent le matériau éboulé, afin d'étudier les variations de différents paramètres sismiques avant des instabilités de versant et le déclenchement de laves torrentielles. Ces mesures de bruit sismique ont été couplées à des campagnes d'acquisition photogrammétrique, ce qui a permis de déterminer les taux d'érosion des versants par éboulement et d'évaluer les volumes de matériaux déstabilisés susceptibles d'être affectés par des laves torrentielles. / Clay-rich rocks are very sensitive to weathering and are affected by complex sliding mechanisms, involving both slope sliding/falling and debris flows in a second stage. This double mechanism often occurs in the Alps and raise a problem for land managers, because of the suddenness of falls and flows. Recent studies have showed that continuous ambient vibration recordings could be used to infer seismic parameters (e.g. resonance frequency, shear wave velocity) that characterize the unstable mass. In both cases (falls and flows), the monitoring of these parameters evidences a significant variation before the triggering of gravitational movements, which has been interpreted as a precursory signal. We develop and test a monitoring methodology for such complex movements affecting clay-rich rocks, from ambient vibration measurements and photogrammetric acquisitions. We installed seismic sensors both in the scarp area and in the gullies, in which the material deposits, in order to study variations in seismic parameters before the triggering of movements. By combining these seismic measurements with regular photogrammetric acquisitions, we determine slope erosion rates and evaluate the material volumes likely to be affected by debris flows.

La chaîne Himalayenne est l'un des exemples les plus spectaculaires de déformation active à la surface de notre planète. Au cours des derniers siècles, de nombreux séismes majeurs (Mw > 7.5) ont affecté cette zone et le lourd bilan humain du séisme de Gorkha en 2015 a une nouvelle fois rappelé l’importance de parvenir à mieux estimer l’aléa sismique de cette région. Bien que les structures lithologiques et tectoniques semblent montrer au premier ordre une cylindricité le long des 2500 km de l'arc Himalayen, de nombreuses études, menées principalement au Népal, ont permis de mettre en évidence des variations latérales structurales, thermochronologiques, morphologiques, gravimétriques, sismologiques ou géodésiques. Le rôle de ces variations latérales sur la segmentation sismique reste cependant mal contraint. La taille maximale et la probabilité d’occurrence de ces méga-séismes sont donc toujours matière à débat.Ainsi, le comportement sismique de l’Himalaya du Bhoutan reste énigmatique. Pour certains les faibles taux de sismicité observés actuellement font de ce royaume une zone asismique de 350 km de long. Pour d’autres, à l’instar de l’Himalaya du Népal, la faible sismicité observée est associé à une forte accumulation de contrainte susceptible de générer des séismes majeurs. L'objectif de ce travail de thèse est d’améliorer notre connaissance de cette région en quantifiant la déformation à différentes échelles spatiales et temporelles via des études morphotectoniques et paléosismologiques.La première partie de cette thèse vise à quantifier les mouvements verticaux à l’ouest Bhutan et le long du Main Frontal Thrust, structure la plus frontale située au sud Bhoutan. Trois campagnes de terrain ont été réalisées permettant l'échantillonnage (1) de terrasses alluviales le long du front afin de quantifier et d'étudier les variations du soulèvement Holocène, (2) de bassins versants pour l'étude de la dénudation court-terme (< 20 ka) dérivée des cosmonucléides ($^{10}$Be) et (3) de terrasses alluviales dans le Moyen-Pays pour quantifier l’incision Holocène. Les vitesses verticales obtenues au front sont comparables à celle proposées le long du reste de l’arc himalayen, suggérant une cinématique relativement simple. Par contre, nos résultats indiquent une variation de la géométrie du chevauchement himalayen (Main Himalayan Thrust) entre l’est Népal et l’ouest Bhoutan.La seconde partie porte sur plusieurs études paléosismologiques le long du front ouest et centre Bhoutanais. Six sites différents ont été étudiés au cours de trois campagnes de terrain. La datation et la modélisation de charbons détritiques a permis de mettre en évidence l'occurrence d’au moins cinq séismes majeurs durant les derniers 2700 ans, faisant du Bhoutan une zone sismiquement aussi active que le Népal. A une échelle régionale, cette étude apporte donc de nouvelles contraintes et contribue au débat sur la possibilité d’occurrence d'un séisme de magnitude 9 le long de l'arc Himalayen. / The Himalayan arc is one of the most active intra-continental mountain belts in the world. Over the last centuries, several major earthquakes (Mw > 7.5) have struck this arc. The dramatic effects of the Gorkha earthquake sequence in 2015 pointed once again the crucial need to improve seismic hazard assessment of this area.Geological explorations of the Himalayas since the late 19th century have emphasized a 2500-km-long roughly cylindrical structure, with striking continuity of main units and thrust faults. However recent geophysical and geological investigations have revealed lateral variations. The relationship between these variations and earthquakes segmentation along the arc remains poorly constraint. The maximum size and the occurrence probability of such earthquakes are still a matter of debate.For instance, the seismic behavior of Bhutan remains enigmatic. The present-day low seismicity rate observed in this area can reflect two opposite fault behaviors: an aseismic creeping zone or a zone of stress accumulation for future great earthquakes as the others parts of Himalayas. The main objective of this thesis is to bring new constraints on the deformation of the Bhutan Himalayas, at different space- and time-scales, through morphotectonic and paleoseismological approaches.The first part of this thesis focuses on the vertical deformation assessment along a N-S transect in western Bhutan and along the Main Frontal Thrust, which is the southern-most thrust in southern Bhutan. In the past three years, we have carried out three fieldwork campaigns to sample (1) frontal terraces to assess Holocene uplift rates, (2) watershed basins to quantify short term denudation rates (< 20 ky) derived from cosmonuclides $^{10}$Be and (3) hinterland alluvial terraces to quantify the Holocene incision rate. Frontal Holocene uplift rates obtained in Bhutan are consistent with those obtained in the others parts of Himalayas. Furthermore, our results reveal a variation in the geometry of the Main Himalayan Thrust between eastern Nepal and western Bhutan.The second part focuses on several paleoseismic studies along the west and central bhutanese Himalayan front. Different sites were investigated during three fieldwork campaigns. Detritic charcoals sampling and modeling suggest the occurrence of at least five surface-rupturing earthquakes during the last ~2700 years. These results demonstrate that the present-day low seismicity rate observed in Bhutan is not representative of the seismic activity at longer time scale. At regional scale, they also take part of a broader discussion on the probability of occurrence of a magnitude 9 earthquake along the Himalayan arc.

Situé dans le contexte d’une subduction rapide, (vitesse de convergence de 6-8 cm/an), l’Equateur est particulièrement exposé au risque sismique. La composante de la sismicité qui est directement attribuée au processus de subduction est depuis quelques années l’objet de nombreuses études, mais la sismicité “indirecte” due aux processus de déformation dans la plaque supérieure reste peu étudiée. Pourtant, les populations sont directement exposées à cette séismicité intracontinentale, qui reste dangereuse en raison de sa faible profondeur et distance aux zones densément peuplées.Le premier objectif de cette thèse est l’étude de la cinématique régionale, dominée par la présence d’un grand système de failles continentales décrochantes qui s’étend depuis la marge active (Golfe de Guayaquil) jusqu’à la frontière Colombienne. De nombreuses failles associées au processus d’extrusion du Bloc Nord Andin montrent une trace géomorphologique très nette mais ne sont pourtant pas cartées car les accès terrain ne permettent pas de conclure sur leur activité. L’analyse des photos aériennes, d’images satellite et de MNT à différentes échelles nous a permis d’établir tout d’abord un catalogue tectonique des structures majeures, homogène et systématique, puis de déterminer la cinématique de la plupart des structures actives en Equateur à l’échelle Quaternaire. De plus, nous avons intégré l’information sismologique (sismicité et mécanismes au foyer) et géodésique disponible à partir des réseaux nationaux de l’Equateur. Ceci nous a permis d’apporter des contraintes cinématiques sur le fonctionnement de ces structures et comparer les processus de déformation instantanés et cumulés à l’échelle du Quaternaire. Le système tectonique majeur d’Equateur Chingual-Cosanga-Pallatanga-Puná (CCPP) montre une vitesse moyenne de 7 à 8 mm/an par rapport à Sud Amérique. Les structures qui le définissent sont principalement transpressives dextres, avec une distribution nette de la composante décrochant sur les failles de direction NE-SW, et de la composante inverse sur les structures plutôt NS. Ce système tectonique majeur permet l’extrusion vers le nord du Bloc Nord-Andin. Notre interprétation implique l’existence et la définition d’un nouveau microbloc, isolé sur le flanc Ouest de la structure CCPP, qui est limité à l’ouest par les systèmes chevauchants de Quito et Latacunga, et à l’est par les failles du système Chingual Cosanga, depuis environ 3 Ma.Dans un deuxième temps, l’analyse des marqueurs morphologiques de la déformation et de l’évolution des réseaux de drainage associée à un travail de détail sur le terrain et de datations nous ont permis d’étudier cette deuxième région particulière des Andes d’Equateur. Le système de chevauchements de Quito est formé par des failles inverses aveugles qui produisent en surface une série de plis en échelon à vergence Ouest dans les dépôts volcaniques Quaternaire. Cette cinématique est confirmée par l’analyse de la sismicité superficielle et locale, et les mécanismes au foyer issus du réseau national RENSIG. Les données GPS montrent un taux de raccourcissement EW de 4 mm/an, accommodé sur cette structure compressive particulièrement active à l’échelle régionale. En profondeur le système de faille de Quito se connecte probablement vers l’ouest à l’ancienne suture, qui marque la limite des terrains océaniques accrétés au continent. L’analyse du réseau de drainage souligne de plus la propagation du système de failles de Quito vers le nord et vers l’Est, depuis le Quaternaire récent.Pour finir, à partir de ces nouveaux modèles locaux et régionaux de déformation Quaternaire pour l’Equateur, nous avons caractérisé et défini 19 nouvelles sources sismogéniques pour la croûte continentale. Cet apport permettra d’intégrer la tectonique active dans les futurs calculs d’aléa sismique pour aider à la définition du risque sur le territoire Equatorien. / Located in the Northern Andes along the active subduction zone of the Nazca plate beneath the South American continent, Ecuador is highly exposed to seismic risk. Moreover, the upper plate is actively deforming and faults responsible for crustal earthquakes are poorly known, showing the need to take them into account in modern assessments of seismic hazard.Our first objective is then the study of regional active faults and their kinematics, in Ecuador. Systematic analysis of air photos and satellite imagery, as well as geomorphic evidences gathered at different scales along these structures permitted us to obtain a regional tectonic map. Each observation was taken in account if also confirmed on digital terrain models (DTM) and field data. Finally this first step permitted to establish a first up-to-date and homogeneous catalog of major tectonic structures, active at the Quaternary time scale, consistent over the entire territory. We also determined the sense of motion of these active faults in Ecuador. Additionally, we integrate the seismic (instrumental and historical seismicity together with focal mechanisms for the higher magnitude events) and geodetic data available from national, global networks and field work to derive consistent kinematics models. Finally, the kinematics of each segment is compared to the instantaneous and cumulated Quaternary deformation.We are thus able to document a major tectonic system in Ecuador: the Chingual-Cosanga-Pallatanga-Puná fault system, showing a relative velocity of 7-8 mm/yr. with respect to South America. The deformation is characterized mainly by a combination of dextral NE-SW transpressive faults and reverse NS faults. This system accommodates the northward tectonic extrusion of the North Andean Block. Our interpretation implies the existence and definition of a new micro block, isolated on the western flank of the CCPP structure, bounded on the west by the thrust fault system of Quito and Latacunga and to the east by the Chingual-Cosanga faults, probably active over the past 3 million years.In a second step, the analysis of the evolution of the drainage system and its interaction with the active tectonic deformation, together with focused sampling and dating was applied to the study of a particular region of the Andes of Ecuador: the Latacunga and Quito micro-block together with the Quito faults system. The Quito reverse faults system consists of blind thrust faults that outcrop at the surface as a series of en-echelon folds, dipping west and affecting Quaternary volcanic deposits. This kinematics is further confirmed by the analysis of surface and local seismicity and focal mechanisms provided mainly by the national network RENSIG. Available GPS data show a EW convergence at a rate of 4 mm/yr, which is accommodated on the Quito fault system, and particularly active at a regional level. At depth the Quito fault system is probably connected to the west to the old suture, which marks the limit of oceanic terranes accreted to the continent. The analysis of the drainage system has allowed us to highlight the propagation of Quito fault system eastward and northward during the Quaternary.To conclude from the new local and regional models of Quaternary deformation in Ecuador, we have characterized and defined new seismic sources for the continental crust. Each source corresponds to a characteristic magnitude value and deformation model. This contribution integrates active tectonics as should be done in future seismic hazard calculations to help better quantity seismic hazard on Ecuadorian territory.

L'objectif de cette thèse est d'analyser et de caractériser le lien entre les mouvements du sol et la réponse des bâtiments. En particulier, on s'intéresse à réduire les incertitudes qui entrent en jeu dans les méthodes de vulnérabilité, afin d'estimer plus précisément la vulnérabilité des structures au risque sismique. Pour ce faire, cette thèse est basée sur l'utilisation de données enregistrées au sein de bâtiments. Les enregistrements de vibrations ambiantes et de séismes de faibles amplitudes au sein de bâtiments permettent de caractériser le comportement élastique de ces structures. Des modèles peuvent ensuite être définis afin d'étudier les différentes composantes de la variabilité présente au sein des courbes de fragilité. On s'intéresse dans un premier temps au premier niveau de dommage, au-delà duquel les caractéristiques élastiques des bâtiments sont modifiées et les modèles définis ne sont plus valables. Des enregistrements de séismes ayant eu lieu depuis le début des années 1970 dans des bâtiments californiens sont ensuite utilisés. A partir de ces données, on a pu mettre en évidence des relations entre le déplacement au sein des structures et des paramètres décrivant la nocivité des signaux sismiques. Suivant l'indicateur utilisé pour représenter la nocivité des séismes, la réponse des bâtiments peut être estimée plus ou moins précisément. Notamment, les indicateurs faisant intervenir les paramètres dynamiques des bâtiments sont davantage liés avec la réponse des structures, représentée par son déplacement inter-étage moyen. La variabilité de la réponse des bâtiments peut être améliorée en regroupant les bâtiments par typologies (définies suivant leur matériau principal de construction et leur hauteur). En apportant davantage d'informations sur les structures, on peut ainsi diminuer la composante épistémique de la variabilité. De plus, en combinant des indicateurs de nocivité, on peut améliorer la précision pour la prédiction de la réponse de la structure. Une forme fonctionnelle est ainsi proposée afin d'estimer le déplacement inter-étage moyen au sein des structures, pour plusieurs typologies de bâtiments, à partir de quatre indicateurs de nocivité. Cette forme fonctionnelle est utilisée pour établir des courbes de fragilité et peut également être utilisée afin de donner une première estimation des dommages à la suite d'un séisme, en comparant les valeurs de déformations inter-étages avec des valeurs de référence (FEMA, 2003). Enfin, une méthode hybride est proposée pour la construction de courbes de fragilité, faisant intervenir un modèle de comportement non linéaire. Les paramètres de ce modèle sont définis de telle sorte que la réponse du modèle s'ajuste aux enregistrements de séismes effectués dans les bâtiments. Ce modèle est ensuite utilisé pour évaluer les composantes d'incertitudes et pour construire des courbes de fragilité pour tous les niveaux de dommages. / This PhD thesis is focused on the correlation between ground motion and the buildings response. In particular, we interested in reducing the uncertainties that occur in vulnerability methods in order to assess more precisely the seismic vulnerability of existing structures. In order to do this, this thesis is based on the use of data recorded within buildings. Records of ambient vibrations and low amplitude earthquakes within buildings are used to characterize the elastic behaviour of these structures. Linear models can then be defined in order to study the various components of the variability of the fragility curves, for the first damage level. Earthquake that have occurred since the 1970s have been recorded within Californian buildings. From these data, we focused on the relationship between the building response and parameters describing the noxiousness of ground motion. Depending on the indicator used to represent the noxiousness of earthquakes, the building response can be estimated more or less accurately. In particular, indicators involving the dynamic parameters of the buildings are more related with the response of structures, which is represented by its averaged inter-story drift. Grouping buildings by typologies (defined according to their main material of construction and their height) can improve the variability in the response of buildings. Indeed, by providing more information on the structure, we can reduce the epistemic component of variability. In addition, by combining noxiousness parameters, the accuracy in the prediction of the building response can be improved. A functional form is thus proposed to estimate the averaged inter-story drift within the structures, for several typologies of buildings. This functional form is then used to assess fragility curves and can also be used to get an estimate of damage after an earthquake, by comparing the values of inter-story drift from given by the functional form with reference values (FEMA, 2003). Finally, a hybrid method is proposed for the construction of fragility curves, involving a nonlinear model. The parameters of this model are defined so that the response of the model fits the earthquake recordings, which were made within buildings. This model is then used to evaluate the components of variability and to build fragility curves for all damage levels.

Cette thèse présente des observations GNSS dans l'Ouest et le Nord-Est Vénézuélien, et Trinidad utilisées pour contraindre la géodynamique de la zone d'étude et la cinématique des principales failles dans cette frontière des plaques. Je présente un travail intégral de conception, installations d'un réseau géodésique dans l'ouest du Venezuela et deux campagnes d'acquisition des données GNSS. Dans le Nord-Est Vénézuélien, une campagne d'acquisition des données a été réalisée avec la réoccupation des repères installés et mesurés depuis 2003. Lors du traitement des données, j'ai inclus l'ensemble des campagnes antérieures disponibles et les données des stations GNSS permanentes de la région. Les vitesses observées dans l'Ouest Vénézuélien correspondent bien avec le mouvement des plaques Caraïbes et Sud Amérique. Cependant, le lent taux de déplacement des failles principales et le court intervalle de temps entre les observations n'a pas permis d'obtenir un champ des vitesses avec suffisamment de précision. Au contraire, les observations épisodiques réalisées sur dix ans dans le Nord-Est du Venezuela ont permis contraindre la cinématique de la faille d'El Pilar (EPF). Dans cette région, nous avons étudié les effets de la variation des propriétés élastiques sur la faille et de part et d'autre de celle-ci. Le champ de vitesses asymétrique obtenu sur les deux côtés de la faille a été simulé avec cinq approches. Un premier modèle simple dans un demi-espace homogène montre une profondeur de blocage de 1,8 km. À l'aide d'un modèle hétérogène en considérant des contrastes entre les propriétés du matériel de part et d'autre de l'EPF, nous avons montré une profondeur de blocage de 3 km et un coefficient de rigidité de 0,37. Cette dernière valeur indique que le côté nord à l'EPF composé de roches ignées et métamorphiques présente une rigidité ~1,7 fois supérieure au côté sud composé de formations sédimentaires. À partir d'un modèle tridimensionnel élastostatique, la présence d'une zone de compliance a été suggérée. Cette zone proche de la faille caractérisée par une faible rigidité serait présente de la surface à 3 km de profondeur et présenterait une largeur de 1 à 5 km et une réduction de rigidité de 30%. La simulation des vélocités avec un modèle de distribution du glissement le long du plan de faille montre la présence de glissements asismiques dans toute la partie supérieure du segment Ouest tandis que la partie supérieure du segment Est se montre partialement bloquée, ce secteur partiellement bloqué correspondrait à la rupture en surface des séismes de 1797 et 1929. En se basant sur la combinaison des vélocités obtenues par comparaison GPS/GPS et triangulation/GPS nous avons étudié la cinématique des failles principales de Trinidad. Le champ de vitesses de part et d'autre de la faille de la cordillère centrale de Trinidad (CRF) indique une asymétrie du gradient de vitesse de part et d'autre de la faille. Le modèle simple de déformation interseismique montre une profondeur de blocage de 10 km et le modèle hétérogène asymétrique suggère une profondeur de blocage de 2,5 km avec un coefficient de rigidité de 0,20 %, qui suggère une rigidité trois fois supérieure du côté nord par rapport au côté sud. La simulation du glissement le long des failles de Trinidad montre un glissement asismique atteignant 12 mm/an le long de la partie supérieure de la CRF et de sa prolongation en mer la Warm Spring Fault. Ce comportement change vers le nord-est avec une diminution importante du creep le long de la partie supérieure de la faille. La prolongation de l'EPF se montre inactive à Trinidad. L'existence d'un creep important le long des failles d'El Pilar et de la faille de la cordillère centrale de Trinidad pourrait expliquer le bas niveau de sismicité instrumentale, historique et préhistorique de ces accidents qui localisent pourtant un coulissement de 20mm/an. L'existence de ce creep induirait une réduction de l'aléa sismique de moitié. / The Caribbean-South American plate boundary is described as a wide active transpresional zone. This dissertation presents GNSS observations in Western and Northeastern Venezuela, and Trinidad used to constrain the geodynamic of the region and the kinematic of the principal faults along this plate boundary. Here, a whole work of conception, installation of network and measurements with two campaigns of GNSS observations in Western Venezuela is presented. In the case of Northeastern Venezuela, a GNSS data acquisition campaign was carried out measuring pre-existing sites installed and occupied since 2003 by FUNVISIS and University of Savoie team. The data processing for these sites includes data from previous acquisition campaigns and permanent GNSS stations. In Western Venezuela, observed velocities correspond roughly with the motion of Caribbean and South American plates. Nonetheless, the slow rate of fault-slip of main faults and the short span between the data acquisition campaigns in Western Venezuela do not allow assess the velocity field with sufficient accuracy. In northeastern Venezuela, I focused on the effects of variable elastic properties of the El Pilar Fault (EPF) and surrounding medium on inferred slip rates and locking depths. The asymmetric velocity field on both sides of EPF have been evaluated with five approaches. In a first step, a simple elastic half-space model was applied showing a 1.8 km locking depth. Next, a model considering contrast of material properties across the EPF depicts out 3 km locking depth and a 0.37 asymmetric coefficient indicating that the igneous-metamorphic northern side has a rigidity ~1.7 times higher than the sedimentary southern side. From a three-dimensional elastostatic model, the presence of a near-fault low-rigidity compliant zone has been evaluated suggesting a zone in the upper 3 km in depth and going from 1 to 5 km width with a 30 per cent of rigidity reduction. The creep associated to the shallow locking depth was clearly shown with the slip distribution model and the displacement simulation method. The results show a widespread partially-creep pattern in the eastern upper segment, while the upper western segment exhibits a partially locked area which coincides with the rupture surface of 1797 and 1929 earthquakes. From the compilation of GNSS observations and triangulation-to-GPS comparison of previous studies, the kinematic of main faults in Trinidad has been studied. The velocity field across the Central Range Fault (CRF) points out an asymmetry of velocity gradient on both sides. The heterogeneous asymmetric model point out a 2.5 km locking depth with a 0.20 asymmetric coefficient indicating that the northern side has a rigidity ~3.3 times higher to the southern side. Similar approaches have been applied to the EPF extension in Trinidad. The creep in the upper part of CRF as response to the shallow locking depth was quantified using a slip distribution model. A creep of 12 mm/yr was calculated in the southwestern onshore portion of the CRF and the Warm Springs Fault, nevertheless, this behavior changes northeastward where the CRF show a significant decrease of slip in the upper part. The slip along the EPF prolongation appears locked along its upper and lower part in the onshore portion demonstrating that this segment section is not needed to simulate observed velocities and is inactive. Furthermore, the Los Bajos Fault is shown with a slip of 7 mm/yr in the segment upon which the EPF in Venezuela transfers its slip eastward and that act as a synthetic Riedel shears. The localized aseismic displacement pattern associated with creeping or partially creeping fault segments could explain the low level of historical seismicity in the Northeastern Venezuela and Trinidad. The EPF in Venezuela and the CRF accommodate between 50-60% of the plate boundary zone motion that point out a reduction of the seismic hazard almost by half

La corrélation de bruit sismique est aujourd'hui une technique largement utilise en sismologie. L'aspect attrayante de cette technique est lie a la possibilité d'obtenir une estimation de la fonction Green partout sur la surface de la Terre, aussi en absence de source sismique comme le tremblement de terre. Les ondes des surface ils sont facilement obtenu par corrélation de bruit, et elles sont très utiliser pour l'imagerie de la croute et du manteau superieur. Dans la possible observation des ondes de volume par corrélation de bruit, il peut avoir le potentielle pour résoudre aussi les structures de la Terre profonde.Dans la première partie de la thèse, on utilise les ondes de surface estime par corrélation de bruit sismique au fin de produire en modèle tomographique de la croute en Finlande.Dans la deuxième partie, on se focalise sur la nouvelle possibilité d'obtenir des ondes de volume par corrélation de bruit. Suite a la démonstration aue des ondes des volume son bien observe par corrélation de bruit a toutes les échelles, on utilise ces ondes pour l'imagerie de la Terre profonde. Ces nouveaux et prometteur résultats ils permettent d’incrémenter la connaissance de la structure profonde de la Terre, avec un incroyable augmentation de la résolution de la méthode d'imagerie. / Ambient seismic noise correlation technique is today widely applied in seismology. The attractive aspect of this method relies in the possibility of obtaining an estimated Green's function everywhere in the world, also in absence of explosions or earthquakes. As surface waves dominate the estimated Green's fucntion, they can be used for high-resolution imaging of the shallow Earth. Similar observation of body waves would provide the required resolution to solve the deeper Earth structures.In the first part of our work we focus on resolving the crustal structure of northern Finland. Using surface waves reconstructed from noise correlation, we reconstructed a threedimensional S waves model that gives acces to the ancient structures of the crust.In the second part we analyse how body waves can emerge from seismic noise correlation. We show that body waves travelling from regional to teleseismic distances are well reconstructed from noise correlation. As these waves contain information about the Earth structure they represent a new and original dataset to improve the knowledge of our planet.

La sismicité présente le long du méga-chevauchement himalayen, dans la trace du fort séisme de 1505, des variations spatiales qui restaient peu résolues. Nous y avons déployé un réseau sismologique temporaire de 15 stations pour la période 2014-2016, en complément du réseau national. Nous avons effectué une détection automatique Seiscomp3 puis un pointé manuel des séismes enregistrés par le réseau, suivi par une localisation absolue Hypo71 et une relocalisation relative d’essaims HypoDD. Le catalogue résultant compte 2154 évènements dans notre zone d’étude dont les profondeurs (8-16 km) sont bien résolues. La confrontation de la sismicité avec des coupes géologiques équilibrées montre que les séismes se localisent dans le compartiment supérieur à proximité du grand chevauchement himalayen au voisinage de rampes ou contacts suspectés entre écailles de moyen pays. Les variations latérales de structures associées à cette sismicité sont susceptibles de contrôler pour partie les ruptures cosismiques de séismes intermédiaires, qui viennent rompre partiellement le chevauchement, comme l’ont démontré les études du séisme de Mw7.8 de Gorkha-Népal, 2015. La segmentation qui en résulte est une donnée importante dans les études d’aléa sismique. / The seismicity located along the Himalayan mega-thrust, within the trace of the great M8+ 1505AD earthquake, displays striking spatial variations which remained poorly resolved. In order to better constrain and understand these variations, we deployed a 15-stations temporary seismological network for 2 years (2014-2016) as a complement to the national network. We first processed the data with an automatic detection with Seiscomp3, then a manual picking of earthquakes recorded by the network, followed by a Hypo71 absolute localization and HypoDD relative relocation of clustered events. The resulting catalogue contains 2154 local events, shallow to midcrustal (8 - 16 km). The seismicity presented temporal variations suggesting fluid migrations. The confrontation between the seismicity and the geologic balanced cross-sections shows that most eartbquakes happen within the hangingwall of the Main Himalayan Thrust fault nearby ramps or suspected contacts between lesser Himalayan slivers. The lateral variations of some of the structures associated to this seismicity are likely to partially control the extent of the coseismic ruptures during intermediate earthquakes that break partly the locked fault zone, in a similar way as what was reported after the Mw7.8 2015 Gorkha-Nepal earthquake. Better characterizing the segmentation of such faults is an important input for seismic hazard studies.

L'atténuation est un paramètre clé dans l'évaluation de l'aléa sismique car elle contrôle l'amplitude et la durée du mouvement du sol. Deux mécanismes contribuent à l'atténuation des ondes sismiques courte-période (f>1Hz, avec f la fréquence) : (1) l'absorption, quantifiée par son facteur de qualité Qi(f); et (2) le scattering, quantifié par Qsc(f). L'objectif principal de cette thèse est de cartographier l'atténuation sismique en France Métropolitaine en déterminant l'importance relative de ces deux processus. Pour mener à bien cette tâche, nous avons modélisé le transport de l'énergie sismique multi-diffusée - aussi appelée coda sismique - à l'aide de l'équation de transfert radiatif dans un milieu présentant des variations latérales des propriétés de diffusion et d'absorption. En utilisant une approche perturbative, nous avons calculé les noyaux de sensibilité de l'intensité de la coda sismique à des variations spatiales de Qi(f) et Qsc(f) à 2-D, dans le cas où la diffusion est isotrope. Dans un deuxième temps, nous avons mesuré la vitesse de décroissance énergétique de la coda sismique, quantifiée par le facteur de qualité de la coda Qc(f), sur plus de 120000 formes d'onde collectées en France, en Belgique et sur l'ensemble de l'arc alpin. L'approche théorique développée dans cette thèse nous a permis d'établir une relation approximative entre Qc et Qi. Cette relation prend la forme d'une intégrale de Qi sur le rai direct reliant la source à la station. Cette approximation a été utilisée afin de cartographier pour la première fois les variations régionales de l'absorption entre 1 et 32 Hz dans les Alpes et en France Métropolitaine. Nos résultats mettent en évidence de très fortes variations latérales (±30%) de l'absorption. À basse fréquence (f~1Hz), une corrélation claire apparaît entre la géologie de surface et les structures d'absorption : les zones de forte absorption se localisent sur les séries sédimentaires peu consolidées tandis que les régions de faible absorption correspondent au socle affleurant dans le Massif Armoricain, le Massif Central et dans les chaînes de montagne comme les Pyrénées et les Alpes. À haute fréquence (f~24Hz), la corrélation entre géologie de surface et atténuation disparaît. Nous avons formulé l'hypothèse que la dépendance fréquentielle de la structure en atténuation est due à un changement du contenu ondulatoire de la coda sismique avec la fréquence. Ainsi la sensibilité de la coda aux structures profondes de la croûte augmenterait avec la fréquence. Enfin, nous avons initié la mise en oeuvre des noyaux de sensibilité isotrope exacts à 2-D afin d'obtenir une tomographie d'absorption. L'inversion des mesures de Qc par décomposition en valeurs singulières nous a permis de construire la première tomographie d'absorption qui tienne compte de toute la sensibilité des trajets des ondes multi-diffusées. La carte préliminaire d'absorption obtenue pour les Pyrénées est prometteuse. Nos résultats fournissent des bases théoriques solides pour l'inversion linéarisée de Qsc et Qi à partir de la coda sismique. Ils offrent également des informations complémentaires aux tomographies de vitesse et des perspectives d'amélioration de la régionalisation des calculs de l'aléa sismique en France Métropolitaine. / Attenuation is a key parameter for seismic hazard assessment. It plays an important role in the observed variability of ground motion amplitude and duration. There are two main causes for attenuation of short period seismic waves (f>1Hz, with f the frequency) : (1) absorption, quantified by the quality factor Qi ; and (2) scattering, quantified by Qsc. The main objective of this thesis is to map the seismic attenuation in Metropolitan France and to determine the relative importance of these two processes. To model the transport of multiply-scattered seismic waves - also known as the seismic coda - we employ a scalar version of the radiative transfer equation with spatially dependent absorption and scattering properties. The sensitivity kernels of the coda intensity to spatial variations of Qi and Qsc are computed in 2-D isotropically and anisotropically scattering media. The coda quality factor Qc (f) - quantifying the decay rate of the seismic coda energy - have been estimated on a collection of 120000 waveforms recorded in France, Belgium and in the Alpine range. According to the theory developed in this thesis, we establish a linearized approximate relation between the coda quality factor Qc (f) and the absorption quality factor Qi. This relation is expressed as an integral along the direct ray path connecting the source to the station. This approximation is used to map regional variations of absorption in the Alps and in Metropolitan France between 1 and 32Hz. Our maps reveal strong lateral variations (±30%) of absorption in the crust. At low frequency (f~1Hz), the correlation between sedimentary deposits and high absorption regions is clear : strong absorption zones are localized on the poorly consolidated sedimentary series while low absorption regions correspond to the basement which outcrops in the Massif Armoricain, the Massif Central and in the mountain ranges as the Pyrenees or the Alps. At high frequency (f~24Hz), the correlation between surface geology and absorption structures tends to disappear. We hypothesize that the frequency dependence of the attenuation structure is caused by a change of the wavefield composition which accentuates the sensitivity of the coda to the deeper parts of the medium as the frequency increases. Finally, we initiate the implementation of the exact 2D isotropic sensitivity kernels to retrieve the crustal absorption structures. Using the linear relation between Qc and Qi, we obtain the first absorption map which takes into account the precise spatio-temporal sensitivity of coda waves. The inverse problem is solved with a singular value decomposition approach. The preliminary map of Qi for the Pyrenees is promising. Our results constitute a solid theoretical basis to develop linearized inversions of Qsc and Qi from the analysis of the seismic coda. They also significantly improve the knowledge of the regional variations of seismic attenuation in Metropolitan France. Our maps provide new insights on the crustal structure of the Alpine Range in complement to seismic velocity images. These attenuation maps have direct implication for the design of future seismic hazard maps.

L’objectif de la thèse est de développer une méthodologie permettant d’obtenir une interprétation quantitative des données de sismique répétée (sismique 4D). Une étape essentielle consiste à évaluer la répétitivité des données, puis à filtrer les bruits indésirables, qui peuvent masquer ou détériorer la signature 4D. Une méthodologie basée sur des outils géostatistiques a été développée. Deux fenêtres temporelles des cubes sismiques étudiés sont choisies, l’une au-dessus du réservoir - où aucun effet 4D n’est attendu - et l’autre incluant le réservoir. Une analyse statistique et variographique conduite sur ces différentes fenêtres permet de proposer une décomposition des variogrammes en structures communes ou indépendantes, qui sont ensuite interprétées en termes de bruit, de signature géologique ou 4D. Les structures interprétées comme indépendantes de la géologie ou de la production sont ensuite filtrées à l’aide de la technique du krigeage factoriel proposée par Matheron en 1982. La méthodologie a été testée sur deux cas réels. Le premier concerne un champ d’huiles lourdes canadien, sur lequel trois campagnes sismiques ont été enregistrées, avant et pendant la production obtenue à l’aide d’injection de vapeur. Le bruit interprété comme tel sur les 3 campagnes a été filtré à l’aide la méthode décrite plus haut ; une analyse en termes de faciès sismiques non supervisée a ensuite été conduite sur les données brutes et filtrées afin d’évaluer l’intérêt du filtrage. Finalement, une interprétation des décalages en temps observés entre campagnes a été proposée. Le deuxième cas réel concerne un champ turbiditique profond dans l’offshore du Brésil, sur lequel deux campagnes sismiques 3D ont été acquises, avant et après le début de la production obtenue par injection d’eau. Le bruit présent sur les deux campagnes a été filtré à l’aide de la technique du krigeage factoriel, et la qualité de ce filtrage a pu être évaluée par comparaison avec d’autres techniques couramment utilisées / This thesis research aims at investigating seismic interpretation methodologies and techniques that will help on better characterizing time-lapse, or 4D, seismic signatures. These techniques and methodologies are used to evaluate the time-lapse repeatability and then to filter out undesirable artefacts that are non-related to the production, while enhancing the 4D signature. To achieve these goals, a methodology based on geostatistical tools, was developed. Typically, at least two time-interval windows are considered: one above and the other comprising the reservoir of interest. A statistical and variographic analysis, conducted on both windows and on all surveys, leads to an interpretation step where common or independent structures – in the variographic sense- can be pointed out. The structures interpreted as not related to the geology or to the production mechanism are filtered from the data by a multivariate factorial cokriging technique, based on the concept of Kriging Analysis developed by Matheron in 1982. Two real case time-lapse studies were used to test the methodology. The first case is a Canadian onshore heavy oil reservoir submitted to steam injection, where three different time-lapse surveys were shot to monitor the steam-chamber evolution. The noise present in the three surveys was first filtered using the technique described above; next, an unsupervised seismic facies analysis was conducted on both raw and filtered data in order to evaluate the filtering technique, and finally an interpretation, in terms of reservoir properties changes, of the time-shit observed between the campaigns was proposed. In the second case, the seismic data was acquired on a deepwater turbiditic oilfield from Brazil at two different times of reservoir life, before and after production and water injection. The two seismic surveys were filtered using the factorial kriging technique; the quality of the filtering was, in this case, evaluated by comparison with more common techniques