La tomographie sismique des temps de trajet est un problème d'optimisation mal-posé du fait de la non-linéarité entre les temps et le modèle de vitesse. Par ailleurs, l'unicité de la solution n'est pas garantie car les données peuvent être expliquées par de nombreux modèles. Les méthodes de Monte-Carlo par Chaînes de Markov qui échantillonnent l'espace des paramètres sont généralement appréciées pour répondre à cette problématique. Cependant, ces approches ne peuvent pleinement tirer partie des ressources computationnelles fournies par les super-calculateurs modernes. Dans cette thèse, je me propose de résoudre le problème de tomographie sismique à l'aide d'algorithmes évolutionnistes. Ce sont des méthodes d'optimisation stochastiques inspirées de l'évolution naturelle des espèces. Elles opèrent sur une population de modèles représentés par un ensemble d'individus qui évoluent suivant des processus stochastiques caractéristiques de l'évolution naturelle. Dès lors, la population de modèles peut être intrinsèquement évaluée en parallèle ce qui rend ces algorithmes particulièrement adaptés aux architectures des super-calculateurs. Je m'intéresse plus précisément aux trois algorithmes évolutionnistes les plus populaires, à savoir l'évolution différentielle, l'optimisation par essaim particulaire, et la stratégie d'évolution par adaptation de la matrice de covariance. Leur faisabilité est étudiée sur deux jeux de données différents: un jeu réel acquis dans le contexte de la fracturation hydraulique et un jeu synthétique de réfraction généré à partir du modèle de vitesse Marmousi réputé pour sa géologie structurale complexe. / Seismic traveltime tomography is an ill-posed optimization problem due to the non-linear relationship between traveltime and velocity model. Besides, the solution is not unique as many models are able to explain the observed data. The non-linearity and non-uniqueness issues are typically addressed by using methods relying on Monte Carlo Markov Chain that thoroughly sample the model parameter space. However, these approaches cannot fully handle the computer resources provided by modern supercomputers. In this thesis, I propose to solve seismic traveltime tomography problems using evolutionary algorithms which are population-based stochastic optimization methods inspired by the natural evolution of species. They operate on concurrent individuals within a population that represent independent models, and evolve through stochastic processes characterizing the different mechanisms involved in natural evolution. Therefore, the models within a population can be intrinsically evaluated in parallel which makes evolutionary algorithms particularly adapted to the parallel architecture of supercomputers. More specifically, the works presented in this manuscript emphasize on the three most popular evolutionary algorithms, namely Differential Evolution, Particle Swarm Optimization and Covariance Matrix Adaptation - Evolution Strategy. The feasibility of evolutionary algorithms to solve seismic tomography problems is assessed using two different data sets: a real data set acquired in the context of hydraulic fracturing and a synthetic refraction data set generated using the Marmousi velocity model that presents a complex geology structure.

L’imagerie satellite radar propose un point de vue intéressant pour l’étude et la compréhension des océans. Là où l’altimétrie, reconnue et utilisée mondialement, a su s’imposer comme une source de données majeure, les observations de houle issues du SAR (de l’anglais « Synthetic Aperture Radar ») restent encore largement sous exploitées. L’objet de cette thèse est de promouvoir l’utilisation de ces données en proposant un modèle pour l’analyse et la prévision de la houle à l’échelle du globe qui soit indépendant des modèles numériques classiques comme Wavewatch-III. Ce travail s’inscrit dans une logique de pérennisation de la mesure de houle depuis l’espace avec le lancement dans les trois années à venir des trois missions satellites Sentinel-1 A et B et CFOSAT. Un des principaux résultats de ce travail est la capacité de la méthode développée à fournir une information plus précise que celle des modèles existants. Cette méthode permet également une meilleure caractérisation des mesures utilisées en entrée et des pistes d’amélioration de ces dernières sont dégagées pour les futures activités de calibration/validation. Ces travaux ouvrent également des perspectives sur les possibilités d’assimilation des sorties de ce nouveau modèle dans les modèles numériques classiques. / The capability to observe ocean swell using spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) has been demonstrated starting with ERS-1 mission in 1992. This dissertation shows how ocean swell properties can be used to combine swell observations of heterogeneous quality and acquired at various times and locations for the observation and forecast of ocean swell fieldsusing ASAR instrument on-board ENVISAT. The first section is a review of how ocean swell spectra can be derived from the SAR complex images of the ocean surface using a quasi-linear transformation. Then, significant swell heights, peak periods and peak directions from in situ measurements are used to assess the accuracy of the SAR observed swell spectra. Using linear propagation in deep ocean, a new swell field reconstruction methodologyis developed in order to gather SAR swell observations related to the same swell field. Propagated from their generation region, these observations render the spatio-temporal properties of the emanating ocean swell fields. Afterwards, a methodology is developed for the exclusion of outliers taking advantage of the swell field consistency. Also, using the irregularly sampled SAR observations, quality controlled estimations of swell field integral parameters are produced on a regular space-time grid. Validation against in situ measurements reveals the dramatic impact of the density of propagated observations on the integral parameters estimated accuracy. Specifically, this parameter is shown to be very dependent on the satellite orbit. Finally, comparisons with the numerical wave model WAVEWATCH-III prove it could potentially benefit from the SAR swell field estimates for assimilation purposes.

L'importance croissante de l'évaluation de la performance des structures soumis au chargement sismique souligne la nécessité d'estimer le risque de liquéfaction. Dans ce scénario extrême de la liquéfaction du sol, des conséquences dévastatrices sont observées, par exemple des tassements excessifs et des instabilités de pentes. Dans le cadre de cette thèse, la réponse dynamique et l'interaction d'un système ouvrage en terre-fondation sont étudiées, afin de déterminer quantitativement le mécanisme de ruine dû à la liquéfaction du sol de la fondation. Par ailleurs, les chargements sismiques peuvent induire dans les ouvrages en terre un mode de rupture générant des bandes de cisaillement. Une étude de sensibilité aux maillages a donc été engagée pour quantifier la dépendance des résultats de l'analyse dynamique. Par conséquent, l'utilisation d'une méthode de régularisation est évaluée au cours des analyses dynamiques. Le logiciel open-source Code_Aster, basé sur la méthode des Eléments Finis et développé par EDF R&D, est utilisé pour les simulations numériques, tandis que le comportement du sol est représenté par le modèle de comportement de l'ECP, développé à CentraleSupélec. En premier lieu, un modèle simplifié de propagation 1D des ondes SH dans une colonne de sol avec comportement hydromécanique couplé non linéaire a été simulé. L'effet des caractéristiques du signal sismique et de la perméabilité du sol sur la liquéfaction est évalué. Le signal sismique d'entrée est un élément important pour l'apparition de la liquéfaction, puisque la durée du choc principal peut conduire à de fortes non linéarités et à un état de liquéfaction étendu. En outre, quand une variation de perméabilité en fonction de l'état de liquéfaction est considérée, des changements significatifs sont observés pendant la phase de dissipation de la surpression interstitielle de l'eau et au comportement du matériau. En revanche, ces changements ne suivent pas une tendance unique. Puis, l'effet d'une méthode de régularisation avec cinématique enrichie, appelée premier gradient de dilatation, sur la propagation des ondes SH est étudié au travers d'une solution analytique. Des problèmes à la réponse dynamique du sol sont observés et discutés quand cette méthode de régularisation est appliquée. Ensuite, un modèle 2D d'un déblai est simulé et sa réponse dynamique est évaluée en conditions sèches, complètement drainées et hydromécanique couplées. Deux critères sont utilisés pour définir le début de la rupture de la structure. Le travail du second ordre est utilisé pour décrire l'instabilité locale à des instants spécifiques du mouvement sismique, tandis que l'estimation d'un facteur de sécurité locale est proposée prenant en compte la résistance résiduelle du sol. En ce qui concerne le mode de ruine, l'effet de la surpression interstitielle de l'eau est de grande importance, puisqu'un déblai stable en conditions sèches et complètement drainées, devient instable lors de l'analyse couplée à cause de la liquéfaction de la fondation. Enfin, un système digue-fondation est simulé et l'influence de la perméabilité du sol, la profondeur de la couche liquéfiable, ainsi que, les caractéristiques du séisme sur la ruine induite par la liquéfaction du sol est évaluée. Pour ce modèle de digue, le niveau de dommages est fortement lié à la fois à l'apparition de la liquéfaction dans la fondation et la dissipation de la surpression d'eau. Une surface d'effondrement circulaire est générée à l'intérieur de la couche du sol liquéfié et se propage vers la crête dans les deux côtés de la digue. Pourtant, lorsque la couche liquéfiée est située en profondeur, la digue n'est pas affectée par la liquéfaction de la fondation pour ce cas particulier de chargement. Ce travail de recherche se concentre sur une étude de cas de référence pour l'évaluation sismique des ouvrages en terre soumis à un séisme et fournit des méthodes et outils de calculs numériques performants accessibles aux ingénieurs. / The increasing importance of performance-based earthquake engineering analysis points out the necessity to assess quantitatively the risk of liquefaction. In this extreme scenario of soil liquefaction, devastating consequences are observed, e.g. excessive settlements, lateral spreading and slope instability. The present PhD thesis discusses the global dynamic response and interaction of an earth structure-foundation system, so as to determine quantitatively the collapse mechanism due to foundation’s soil liquefaction. As shear band generation is a potential earthquake-induced failure mode in such structures, the FE mesh dependency of results of dynamic analyses is thoroughly investigated and an existing regularization method is evaluated. The open-source FE software developed by EDF R&D, called Code_Aster is used for the numerical simulations, while soil behavior is represented by the ECP constitutive model, developed at CentraleSupélec. Starting from a simplified model of 1D SH wave propagation in a soil column with coupled hydromechanical nonlinear behavior, the effect of seismic hazard and soil’s permeability on liquefaction is assessed. Input ground motion is a key component for soil liquefaction apparition, as long duration of mainshock can lead to important nonlinearity and extended soil liquefaction. Moreover, when a variation of permeability as function of liquefaction state is considered, changes in the dissipation phase of excess pore water pressure and material behavior are observed, which do not follow a single trend. The effect of a regularization method with enhanced kinematics approach, called first gradient of dilation model, on 1D SH wave propagation is studied through an analytical solution. Deficiencies of the use of this regularization method are observed and discussed, e.g. spurious waves apparition in the soil’s seismic response. Next, a 2D embankment-type model is simulated and its dynamic response is evaluated in dry, fully drained and coupled hydromechanical conditions. Two criteria are used to define the onset of the structure’s collapse. The second order work is used to describe the local instability at specific instants of the ground motion, while the estimation of a local safety factor is proposed by calculating soil’s residual strength. Concerning the failure mode, the effect of excess pore water pressure is of great importance, as an otherwise stable structure-foundation system in dry and fully drained conditions becomes unstable during coupled analysis. Finally, a levee- foundation system is simulated and the influence of soil’s permeability, depth of the liquefiable layer, as well as, characteristics of input ground motion on the liquefaction-induced failure is evaluated. For the current levee model, its induced damage level (i.e. settlements and deformations) is strongly related to both liquefaction apparition and dissipation of excess pore water pressure on the foundation. A circular collapse surface is generated inside the liquefied region and extends towards the crest in both sides of the levee. Even so, when the liquefied layer is situated in depth, no effect on the levee response is found. This research work can be considered as a reference case study for seismic assessment of embankment-type structures subjected to earthquake and provides a high-performance computational framework accessible to engineers.

L’ambition de ce travail est la prédiction du champ d’onde incident réalistique, induit par des mouvement forts de sol, aux sites d’importance stratégique, comme des centrales nucléaires. À cette fin, un plateforme multi-outil est développé et exploité pour simuler les aspects différents d’un phénomène complexe et multi-échelle comme un tremblement de terre. Ce cadre computationnel fait face à la nature diversifiée d’un tremblement de terre par approche holistique local-régionale.Un cas d’étude complexe est choisie: le tremblement de terre MW6.6 Niigata-Ken Ch¯uetsu-Oki, qui a endommagé la centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa. Les effets de site non-linéaires observés sont à premier examinés et caractérisés. Dans la suite, le modèle 3D «de la faille au site» est construit et employé pour prédire le mouvement sismique dans une bande de fréquence de 0-7 Hz. L’effet de la structure géologique pliée au-dessous du site est quantifié en simulant deux chocs d’intensité modérée et en évaluant la variabilité spatiale des spectres de réponse aux différents endroits dans le site nucléaire. Le résultat numérique souligne le besoin d’une description plus détaillée du champ d’onde incident utilisé comme paramètre d’entrée dans la conception structurel antisismique de réacteurs nucléaires et des installations. Finalement, la bande de fréquences des signaux synthétiques obtenues comme résultat des simulations numériques est agrandie en exploitant la prédiction stochastique des ordonnées spectrales à courte période fournies par des Réseaux Artificiels de Neurones. / The ambition of this work is the prediction of a synthetic yet realistic broad-band incident wave-field, induced by strong ground motion earthquakes at sites of strategic importance, such as nuclear power plants. To this end, an multi-tool platform is developed and exploited to simulate the different aspects of the complex and multi-scale phenomenon an earthquake embodies. This multi-scale computational framework copes with the manifold nature of an earthquake by a holistic local-to-regional approach. A complex case study is chosen to this end: is the MW6.6 Niigata-Ken Ch¯uetsu-Oki earthquake, which damaged the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power plant. The observed non-linear site-effects are at first investigated and characterized. In the following, the 3D source-to-site model is constructed and employed to provide reliable input ground motion, for a frequency band of 0-7 Hz. The effect of the folded geological structure underneath the site is quantified by simulating two aftershocks of moderate intensity and by estimating the spatial variability of the response spectra at different locations within the nuclear site. The numerical outcome stresses the need for a more detailed description of the incident wave-field used as input parameter in the antiseismic structural design of nuclear reactors and facilities. Finally, the frequency band of the time-histories obtained as outcome of the numerical simulations is enlarged by exploiting the stochastic prediction of short-period response ordinates provided by Artificial Neural Networks.

Dans l'histoire de l'Equateur, les séismes ont causé beaucoup de victimes (~60 000) et de nombreux autres problèmes. Les événements récents de la fin du XXe siècle ont mis en évidence que les constructions existantes présentent une vulnérabilité physique importante et que l'impact économique des tremblements de terre pourrait être très élevé. Le risque sismique a trois composantes principales : l'aléa, la vulnérabilité et l'exposition. Par conséquent, pour réduire le risque en Equateur, il est primordial d'effectuer des évaluations probabilistes de l'aléa sismique (PSHA).La première étape du développement du PSHA fut de construire un catalogue sismique dans lequel la sismicité historique et instrumentale est homogène et complète. Les données de sismicité instrumentale ont été rassemblées à partir des catalogues locaux et internationaux. Les événements ont été identifiés et, par l'utilisation d'un régime de hiérarchisation des endroits les plus fiables et des estimations de magnitude, les événements ont été regroupés dans un catalogue unique, unifié et homogénéisé. La sismicité historique réévaluée a ensuite été ajoutée. Le catalogue des séismes en Equateur entre 1587 et 2009 comprend ainsi 10 823 événements instrumentaux et 32 séismes historiques, avec une gamme de magnitude Mw de 3,0 à 8,8.Un modèle de zonage des sources sismiques (SSZ) a ensuite été effectué. Dans le cadre de cette modélisation, une nouvelle vision de la géodynamique de l'Équateur a été conçue. Deux aspects des interactions des plaques à l'échelle continentale permettent d'expliquer plusieurs caractéristiques observées dans la génération des tremblements de terre observés, comme l'essaim sismique d'El Puyo, ainsi que le couplage inter-sismique : les différences de rhéologie des plaques Nazca et Farallon et la convergence oblique provoquée par la forme convexe de la partie nord-ouest de la marge continentale sud-américaine. La paléomarge en extension Grijalva (GRM) marque la frontière entre les deux plaques. La sismicité et le couplage inter-sismique sont faibles et peu profonds au sud de la GRM et augmente vers le nord, avec un modèle de couplage hétérogène associé localement à la subduction de la ride de Carnegie. De grands séismes de décrochement ont rompu l'interface entre la ride de Carnegie et le nord. Au niveau continental, la frontière entre le bloc NA et le bloc stable Amérique du Sud est constituée par le système CCPP de failles. Il concentre la majorité de la libération du moment sismique dans la croûte Equateur. 19 SSZ ont été modélisées : une tranche-externe, trois interfaces, six intra-plaques et neuf croûtes.Le catalogue sismique et une version préliminaire du modèle SSZ ont été appliqués pour déterminer le PSH à Quito et évaluer les incertitudes. La ville est construite sur le toit d'un système de failles inverses actif, qui se déplace de 4,3 à 5,3 mm/an. Les PSH ont montré que la contribution de la SSZ locale explique presque entièrement l'aléa correspondant à une période de retour (PR) de 475 ans. L'analyse a donc été concentrée sur cette zone. La source locale, la géométrie de la SSZ, la modélisation des distributions de fréquence-magnitude et/ou de taux de glissement avec des pourcentages de verrouillage variables, la sélection des GMPEs et l'intégration de l'effet du compartiment chevauchant ont apporté des accélérations avec cette PR avec une variabilité importante. Le PGA moyen obtenu sur un site au rocher est ~0,4g avec cette PR, avec une variabilité de 0,3 à 0,73g.La mise à disposition du PSHA est cruciale pour la gestion des risques mais est compliquée, car les probabilités et les incertitudes ne sont pas facilement assimilées par la société. Suite aux pratiques des sciences sociales et les expériences acquises des alertes précoces d'éruption, une approche participative a été exposée pour construire collectivement des connaissances sur le risque de séisme à Quito, qui pourrait prendre la forme d'un observatoire citoyen. / Seismic hazard and risk are high in Ecuador. Earthquakes are notorious in history both for the number of victims (~60.000) and the hardships they have brought. Moreover, late 20th century events have highlighted evidences that the physical vulnerability of present-day buildings is considerable and that the economic impact of earthquakes could be devastating for Ecuador's sustained growth. Therefore, it is an important contribution for reducing the seismic risk to construct methodologically sound models for probabilistic seismic hazard assessment, which is the main objective of this dissertation.The first step was to construct a seismic catalog for the country where historical and instrumental seismicity is homogeneous and complete. The instrumental seismicity available in local and international catalogs since the beginning of the 20th century was collected. Events were singularized and, by means of a prioritizing scheme of most reliable locations and magnitude estimations, individual events were merged in a single, unified and homogenized catalog. Previously re-evaluated historical seismicity was appended. The 1587–2009 Ecuadorian earthquake catalog finally comprises 10,823 instrumental events plus 32 historical earthquakes with a Mw magnitude range from 3.0 to 8.8.Next a seismic source zones (SSZ) model for probabilistic seismic hazard analysis was worked out. In the course of modeling the SSZ, a new view of Ecuador's complex geodynamics was conceived. This view emphasizes two aspects of the plates' interactions at continental scale: the differences in rheology of Farallon and Nazca plates and the convergence obliquity resulting from the convex shape of the South American northwestern continental margin. Both conditions satisfactorily explain several characteristics of the observed earthquake generation –such as the El Puyo seismic cluster– as well as the interseismic coupling. The Grijalva rifted margin (GRM) marks the boundary between the two plates. Seismicity and interseismic coupling are weak and shallow south of the GRM and increases northward, showing a heterogeneous coupling pattern locally associated to Carnegie ridge's subduction. Great thrust earthquakes have ruptured the interface from Carnegie to the north, not breaking through Carnegie. In the continental realm the CCPP localized fault system constitutes the boundary between the NA block and stable South America. It concentrates most of the seismic moment release in crustal Ecuador. 19 SSZs have been modeled accounting for this new scheme: 1 outer-trench, 3 interface, six intraplate and 9 crustal.The catalog and a preliminary version of the SSZ model were applied in determining the PSH in Quito and assessing the uncertainties. The city is built on the hanging wall of an active reverse fault system that is moving at 4.3-5.3 mm/yr. PSH estimates showed that hazard levels at 475 years return period (RT) almost entirely proceed from the contribution of the local SSZ, therefore the analysis was concentrated on it. Significant variability in accelerations at that RT resulted from a variety of considerations: modeling the local source either as a zone or as fault source, the geometry of the SSZ, the way frequency-magnitude distributions and/or slip rates with variable locking percentages were modeled, the GMPEs selection and the inclusion of the hanging wall effect. The PGA mean value obtained for a rock site Quito is ~0.4 g in that RT with variability ranging from 0.3 to 0.73g.PSHA communication is crucial for risk management, but is difficult since probabilities and uncertainties are not easily assimilated by society. Following the practices of the social sciences and of experiences acquired in issuing eruption early warnings to rural communities, a participatory approach has been outlined to collectively build up knowledge about the earthquake risk in Quito that could take the form of a citizens' observatory for seismic risk awareness and reduction.

La présente thèse s'insère dans le projet SALSA (Sergipe Alagoas Seismic Acquisition), mené en collaboration entre le Département de Géosciences Marines; I'IFREMER, I'IUEM, la Faculté des sciences de I'Université de Lisbonne (IDL, Portugal), I'Université de Brasilia (Brésil) et la PETROBRAS (Brésil). Des acquisitions conjointes de sismique réflexion (MCS) et de sismique grand-angle (OBS) ont été réalisées sur le N/O L'Atalante (IFREMER) Ie long de 12 profils sur la région du point triple de Camamú, NE, Brazil. Le point triple de Camamú, où le système de rift avorté Recôncavo-Tucano-Jatobá est relié aux systèmes de rift Jequitinhonha-Camamú-Almada et Jacuípe-Sergipe-Alagoas, a joué un rôle essentiel dans l'ouverture de I'océan Atlantique Sud. Parmi eux, cinq ont été prolongés à terre par des stations sismiques terrestres (LSS). Les modèles de vitesse d'onde P ont été construits sur Ia base de I'interprétation conjointe de données sismiques réflexion et grand-angle en utilisant le logiciel RAYINVR. Nous présentons des modèles de vitesse le long de deux profils parallèles situés dans le bassin de Sergipe-Alagoas (SL01 et SL02), s'étendant sur 220 km et 200 km, respectivement du plateau continental au bassin profond de Sergipe au nord de la zone de transfert de Vaza-Barris. L'un d'eux, le profil SL02 se prolonge sur 150 km à travers le continent, dans la partie continentale du bassin de Sergipe -Alagoas. La modélisation de la marge passive du bassin de Sergipe Alagoas contraint précisément les géométries crustales et la segmentation. Les différences entre les profils éclairent I'influence de I'héritage tectonique résultant de Ia zone de transfert de Vaza-Barris. Ces informations intégrées permettent de nouvelles conjectures autour de I'histoire géodynamique de la région. / The present thesis is inserted in the SALSA project (Seryipe Alagoas Seismic Acquisition), which was conducted by a collaboration between the Department of Marine Geosciences : IFREMER, the Laboratory of Oceanic Domain IUEM, the Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (IDL, Portugal), the Universidade de Brasilia (Brazil) and PETROBRAS (Brazil).Seismic shot, Multi-Channel Seismic acquisition (MCS) and Ocean Bottom Seismometers (OBS) deployments were performed by the R/V L'Atalante (IFREMER) along 1-2 profiles.Among them, five were extended onshore by Land Seismic Stations (LSS). P-wave velocity models were constructed based on the joint interpretation of multichannel and wide-angle seismic data using the RAYINVR software.We present models derived from wide-angle refraction and coincident reflection data along two parallel profiles located on the Sergipe-Alagoas basin (SL01 and SL02), extending approximately 220 km and 200 km from the continental shelf to the distal Sergipe basin north to the Vaza-Barris Transfer zone, and one of them, the SL02 prolongates for 150 km through the continent, on Sergipe -Alagoas continental basin and its basement, the Sergipana FoId Belt.The foward modelling of the passive margin in the Sergipe Alagoas basin precisely constrains crustal geometries and segmentation. The crustal geometry puts in question the origin of the Sergipana Fold Belt, when compared with the geometries of the adjacent geological domains, the Sao Francisco Craton and the Borborema Province.The differences between the profiles illuminate the influence of the tectonic inheritance resulted by the Vaza-Barris Transfer Zone. These integrated information allowed some new conjectures around the geodynamic history of the region.

Les modèles géologiques numériques 2D et 3D permettent de comprendre l'organisation spatiale des roches du sous-sol. Ils sont également conçus pour réaliser des simulations numériques afin d’étudier ou de prédire le comportement physique du sous-sol. Pour résoudre les équations qui gouvernent les phénomènes physiques, les structures internes des modèles géologiques peuvent être discrétisées spatialement à l’aide de maillages. Cependant, la qualité des maillages peut être considérablement altérée à cause de l’inadéquation entre, d’une part, la géométrie et la connectivité des objets géologiques à représenter et, d’autre part, les contraintes requises sur le nombre, la forme et la taille des éléments des maillages. Dans ce cas, il est souhaitable de modifier un modèle géologique afin de pouvoir générer des maillages de bonne qualité permettant la réalisation de simulations physiques fidèles en un temps raisonnable. Dans cette thèse, j’ai développé des stratégies de réparation et de simplification de modèles géologiques 2D dans le but de faciliter la génération de maillages et la simulation de processus physiques sur ces modèles. Je propose des outils permettant de détecter les éléments des modèles qui ne respectent pas le niveau de détail et les prérequis de validité spécifiés. Je présente une méthode pour réparer et simplifier des coupes géologiques de manière locale, limitant ainsi l’extension des modifications. Cette méthode fait appel à des opérations d’édition de la géométrie et de la connectivité des entités constitutives des modèles géologiques. Deux stratégies sont ainsi explorées : modifications géométriques (élargissements locaux de l'épaisseur des couches) et modifications topologiques (suppressions de petites composantes et fusions locales de couches fines). Ces opérations d’édition produisent un modèle sur lequel il est possible de générer un maillage et de réaliser des simulations numériques plus rapidement. Cependant, la simplification des modèles géologiques conduit inévitablement à la modification des résultats des simulations numériques. Afin de comparer les avantages et les inconvénients des simplifications de modèles sur la réalisation de simulations physiques, je présente trois exemples d'application de cette méthode : (1) la simulation de la propagation d'ondes sismiques sur une coupe au sein du bassin houiller lorrain, (2) l’évaluation des effets de site liés à l'amplification des ondes sismiques dans le bassin de la basse vallée du Var, et (3) la simulation d'écoulements fluides dans un milieu poreux fracturé. Je montre ainsi (1) qu'il est possible d’utiliser les paramètres physiques des simulations, la résolution sismique par exemple, pour contraindre la magnitude des simplifications et limiter leur impact sur les simulations numériques, (2) que ma méthode de simplification de modèles permet de réduire drastiquement le temps de calcul de simulations numériques (jusqu’à un facteur 55 sur une coupe 2D dans le cas de l’étude des effets de site) tout en conservant des réponses physiques équivalentes, et (3) que les résultats de simulations numériques peuvent être modifiés en fonction de la stratégie de simplification employée (en particulier, la modification de la connectivité d’un réseau de fractures peut modifier les écoulements fluides et ainsi surestimer ou sous-estimer la quantité des ressources produites). / Numerical geological models help to understand the spatial organization of the subsurface. They are also designed to perform numerical simulations to study or predict the rocks physical behavior. The internal structures of geological models are commonly discretized using meshes to solve the physical governing equations. The quality of the meshes can be, however, considerably degraded due to the mismatch between, on the one hand, the geometry and the connectivity of the geological objects to be discretized and, on the other hand, the constraints imposed on number, shape and size of the mesh elements. As a consequence, it may be desirable to modify a geological model in order to generate good quality meshes that allow realization of reliable physical simulations in a reasonable amount of time. In this thesis, I developed strategies for repairing and simplifying 2D geological models, with the goal of easing mesh generation and simulation of physical processes on these models. I propose tools to detect model elements that do not meet the specified validity and level of detail requirements. I present a method to repair and simplify geological cross-sections locally, thus limiting the extension of modifications. This method uses operations to edit both the geometry and the connectivity of the geological model features. Two strategies are thus explored: geometric modifications (local enlargements of the layer thickness) and topological modifications (deletions of small components and local fusions of thin layers). These editing operations produce a model on which it is possible to generate a mesh and to realize numerical simulations more efficiently. But the simplifications of geological models inevitably lead to the modification of the numerical simulation results. To compare the advantages and disadvantages of model simplifications on the physical simulations, I present three applications of the method: (1) the simulation of seismic wave propagation on a cross-section within the Lorraine coal basin, (2) the site effects evaluation related to the seismic wave amplifications in the basin of the lower Var river valley, and (3) the simulation of fluid flows in a fractured porous medium. I show that (1) it is possible to use the physical simulation parameters, like the seismic resolution, to constrain the magnitude of the simplifications and to limit their impact on the numerical simulations, (2) my method of model simplification is able to drastically reduce the computation time of numerical simulations (up to a factor of 55 in the site effects case study) while preserving an equivalent physical response, and (3) the results of numerical simulations can be changed depending on the simplification strategy employed (in particular, changing the connectivity of a fracture network can lead to a modification of fluid flow paths and overestimation or underestimation of the quantity of produced resources).

Dans le contexte du calcul sismique basé sur la notion de performance, lesingénieurs se trouvent confrontés à une tâche difficile pour estimer la performance etévaluer les risques des systèmes sol-structure en interaction. Afin d’accomplir cette tâcheavec succès, toutes les sources d'incertitudes aléatoires et épistémiques doivent être prisesen compte au cours du processus de conception. Ainsi, des méthodes appropriées sontnécessaires pour l'étude de la propagation de l'incertitude des paramètres du systèmedécrivant la structure, le sol, et les charges appliquées aux réponses structurelles endéfinissant des états limites de performance. L’objectif de cette thèse est de contribuer àl’étude du comportement sismique des structures en interaction avec le sol et d’offrir denouveaux outils pour le traitement de problèmes pertinents, orientés vers la nouvellephilosophie de conception parasismique des structures : la conception basée sur laperformance (performance-based design). Cet axe de recherche structure ce travail dedoctorat. La problématique s’inscrit dans le cadre de proposition de modèles simplifiés afind’aborder un problème compliqué tel que l’interaction sol-structure (ISS). Lecomportement non linéaire de la structure est déterminé par une approche capacitive baséesur la performance sismique telle que la méthode N2 proposée par P. Fajfar. Dans saversion originale, cette méthode considère que la structure est encastrée à sa base,négligeant ainsi l’ISS. Il s'agit d'une extension de la méthode N2 et que nous appelleronsN2-ISS. A notre connaissance, il n'existe pas d'études qui ont intégré l'ISS dans ce type deformalisme. Pour examiner la validité et la fiabilité du modèle présenté, une analysecomparative a été faite entre l'approche que nous proposons et trois autres méthodes: 1) laméthode introduite dans le code BSSC 1997, 2) la méthode proposée par Avilès & Perez–Rocha (2003) ainsi que 3) la méthode dynamique temporelle non linéaire. Les résultatsobtenus ont montré que la réponse en déplacement de la structure était assez proche dansles quatre méthodes.Les courbes de fragilité sont établies en tenant compte des effets de l’ISS et desincertitudes associées au chargement (mouvement du sol), aux propriétés de la structure,du sol, et de la fondation (impédances, ...). L’incertitude épistémique est égalementconsidérée de manière indirecte suite à la comparaison entre deux procédures d'évaluationdes états d’endommagements (Méthode de Park & Ang et Méthode de RISK-UE). L'étudea abouti aussi à une caractérisation préliminaire du risque sismique dans une partie de laville d'Oran dont les caractéristiques géologiques et géotechniques étaient disponibles.Cette étude a permis la cartographie du dommage et d'étudier la la vulnérabilité sismiquedes bâtiments. / In the context of performance-based earthquake engineering (PBEE), a challengingtask for structural engineers is to provide performance and risk assessment for structures orsoil-structure interaction (SSI) systems. In order to fulfill this task successfully, all relevantsources of aleatory and epistemic uncertainties must be accounted for during the designprocess. Thus, proper methods are required for the study of uncertainty propagation frommodel parameters describing the structure, the soil, and the applied loads to structuralresponses by defining some performance limit states. The objective of this thesis is tocontribute to the study of the seismic behavior of structures interacting with soil andprovide new tools for the treatment of relevant issues facing the new philosophy of seismicdesign of structures: performance-based design. The objective of this thesis is to contributeto the study of the seismic behavior of structures interacting with soil and provide newtools for the treatment of relevant issues facing the new philosophy of seismic design ofstructures: (performance-based design). This research structure this doctoral work. Theissue is part of proposed simplified models to address a complicated problem such as soilstructureinteraction (SSI). The nonlinear behavior of the structure is determined by acapacitive approach based on the seismic performance as N2 method proposed by P.Fajfar. In its original version, this method considers that the structure is fixed at its base,thus neglecting the ISS. The new proposed method called N2-SSI is an extension of the N2method. To our knowledge, there are no studies that have joined the SSI ISS in this type offormalism. The proposed approach is validated and compared with time history analysis,Building Seismic Safety Council (BSSC) method (NEHRP, 2003), and a method proposedby Aviles and Perez-Rocha (2003). The results obtained showed that the responsedisplacement of the structure was fairly close in the four methods.The fragility curves are established taking into account the effects of the ISS anddifferent uncertainty sources: the load (input ground motion), the soil, the structure and theSSI (impedances, ...). Epistemic uncertainty was investigated through comparison betweentwo different approaches in assessing damage states (Park and Ang and Risk-UE). Thestudy also resulted in a preliminary characterization of the seismic risk in a part of the Orancity, where geological and geotechnical characteristics were available. This study allowedthe mapping of the damage and the study of the seismic vulnerability of buildings.

La péninsule de la Gaspésie (Québec, Canada) présente un potentiel pétrolier dans les roches datées de l'Ordovicien tardif au Dévonien inférieur. Dans l'est de la ceinture de Gaspé, des puits producteurs de gaz prouvent la présence de réservoirs pétroliers. Des nouvelles études structurales et des études de bassin dans la ceinture de Gaspé permettent de mieux évaluer le potentiel pétrolier de cette région. Nous présentons ici une nouvelle méthodologie pour la prospection d'hydrocarbures dans les régions de piémont de type « fold and thrust belt » comme la ceinture de Gaspé. Nous avons développé cette méthodologie en la testant au niveau de la partie centrale de la ceinture de Gaspé. Nous avons intégré les données géologiques et géophysiques disponibles pour l'étape d'imagerie sismique 2D afin de construire une image sismique directement en profondeur, ce qui a permis d'améliorer l'interprétation structurale, notamment la caractérisation des structures profondes et des failles majeures. Ce travail est suivi d'une modélisation de bassin afin d'évaluer le potentiel pétrolier. Cette étude s'effectue en plusieurs étapes : 1) La construction du modèle structural : L'intégration des données géologiques dans l'étape de la migration en profondeur avant sommation permet d'améliorer le rendu des images sismiques. Ces nouvelles images sont plus fiables et, étant migrées directement en profondeur, rendent les interprétations plus proches de la géometrie réelle du sous-sol. Ces informations permettent de construire un modèle géologique plus complexe et de mieux contraindre le modèle structural de la ceinture acadienne. Les nouvelles interprétations ont permis en particulier, de mieux comprendre la relation entre les ceintures acadienne et taconienne. 2) L'évolution du modèle structural : il a été possible de valider la cohérence de la géométrie structurale grâce aux techniques de restauration. Cependant ce procédé n'a été appliqué qu'au niveau du Synclinal du Lac des Huit-Miles sur les successions stratigraphiques siluro-dévoniennes de la ceinture acadienne : les formations cambroordoviciennes ont été déformées par les orogenèses taconiennes et acadiennes ce qui rend impossible leur restauration. Ce scénario cinématique a été utilisé pour comprendre l'évolution géodynamique de la ceinture de Gaspé et ainsi permettre de proposer une nouvelle géométrie plus favorable à la production et à la migration des hydrocarbures. 3) Évaluation du système pétrolier : Suite à l'étape de restauration, la modélisation de bassin avec le logiciel Temis2D® a été appliquée à la succession stratigraphique Silurien-Dévonien du synclinal du Lac des Huit-Milles et à l'anticlinal de Causapscal. Temis2D® a permis de prédire l'évolution de la roche mère et le degré de maturation ainsi que la génération et l'expulsion des hydrocarbures, en utilisant le modèle structural et les données géochimiques des puits de la ceinture de Gaspé.

Coburn et Spence (2002) rappellent qu'au cours du dernier siècle, le coût des séismes ramené à la valeur de l'année 2000 est de l'ordre de mille milliard de dollars. Rapporté par an, ils constatent que cette valeur augmente au cours du XXème siècle, essentiellement à cause de l'augmentation et de la concentration des populations dans les grands centres urbains exposés à un aléa sismique fort. Des agglomérations de plus en plus grandes, exposées aux séismes et constituées d'un habitat hétérogène et de qualité très variable, sont donc les ingrédients qui positionnent le milieu urbain à l'étape la plus critique de l'évaluation du risque sismique. Cette position est renforcée du fait que de nombreuses villes gigantesques (mega-cities) exposées se trouvent, pour des raisons historiques et sociologiques, sur des remplissages sédimentaires majeurs, facteur aggravant de l'aléa sismique local. Le bâti existant va également présenter une hétérogénéité forte, conséquence de l'évolution de ses caractéristiques structurales au cours du temps, renforçant l'idée d'une ville vulnérable et fragile. Enfin, tandis que le risque sismique consiste bien souvent à aborder séparément l'aléa de la vulnérabilité, il n'est pas surprenant que l'urbain puisse modifier, perturber, voir même contaminer le mouvement sismique incident, en particulier lorsque l'habitat est dense et massif, ce qui à l'aube du 21ème siècle semble être l'évolution majeure des grandes concentrations urbaines. Au cours de cet exposé, nous aborderons la sismologie urbaine en essayant de comprendre sur des résultats expérimentaux récents la façon de réagir d'un milieu urbain à une sollicitation sismique. Deux échelles d'espace seront discutées: la réponse de la ville en montrant comment celle-ci peut à la fois subir le séisme (vulnérabilité sismique) et contribuer de façon significative au mouvement du sol (interaction site-ville); et la réponse d'une structure simple en évaluant sa capacité à se déformer sous une sollicitation sismique (analyse modale opérationnelle) et à prédire son intégrité à la fin de la secousse (courbes de fragilité et structural health monitoring).