Le travail réalisé pendant cette thèse a permis d'apporter de nouvelles contraintes sur le développement et la distribution de la déformation dans le manteau supérieur et plus particulièrement au niveau des grandes limites de plaques décrochantes. Grâce à l'apport de l'expérience USArray et d'une dizaine d'années d'enregistrements sismologiques supplémentaires, nous avons pu étudier, de manière précise, les variations d'anisotropie dans le voisinage de la Faille de San Andreas. Nous avons confirmé et étendu l'observation de deux couches anisotropes sous cette limite de plaque. On y observe une première couche localisée dans la lithosphère marquant la déformation induite à la limite de plaque, et une autre, asthénosphérique, cohérente avec l'anisotropie observée loin de la faille et d'origine plus discutée. Nous avons montré que la zone de déformation associée aux failles de San Andreas, Calaveras et d'Hayward a, vraisemblablement, une largeur d'au moins 40 kilomètres en base de lithosphère, sous chacune de ces failles. Nous avons ensuite procédé à la modélisation thermomécanique (ADELI) de la migration d'une limite de plaques décrochante couplée à une modélisation du développement de fabriques cristallographiques par une approche viscoplastique auto-cohérente (VPSC). Ceci nous a permis d'y observer le développement de la déformation et les conséquences des possibles interactions entre la déformation décrochante en surface et le cisaillement en base de lithosphère dû au déplacement horizontal des plaques. Les propriétés élastiques déduites des fabriques cristallographiques modélisées montrent que de telles interactions existent et provoquent, sous la limite de plaques, une rotation des orientations cristallographiques avec la profondeur. Le signal associé à ces rotations progressives n'est toutefois pas cohérent avec la présence de deux couches d'anisotropie comme proposée sous la faille de San Andreas. Nous pensons par conséquent qu'il existe, sous la Californie, une zone de découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, permettant d'individualiser une déformation lithosphérique d'une déformation asthénosphérique. Nous estimons, en outre, que l'anisotropie observée dans l'asthénosphère sous la Californie ne peut être expliquée seulement par le cisaillement induit par le déplacement de la lithosphère Nord Amérique. En effet, les propriétés anisotropes obtenues par modélisation à partir d'une plaque se déplaçant dans une direction et une vitesse proche de celle de la plaque Amérique du Nord montrent qu'on ne peut espérer guère plus que quelques dixièmes de seconde de délai au bout de 10 Ma de déplacement. Les déphasages mesurés en Californie étant de l'ordre de 1,5 s, il est donc nécessaire d'invoquer la présence d'écoulements mantelliques actifs sous cette région.

L'étude géologique du massif de fondation du futur barrage de Puylaurent (Massif Central français) a été menée en considérant que la connaissance de l'organisation structurale régionale est fondamentale pour l'interprétation des caractéristiques géotechniques du massif rocheux. Pour cela, les épisodes tectoniques qui ont faconné la région ont été analysés; ainsi ont été établis la genèse, la géométrie et les jeux des accidents résultants. Une étude structurale fine du massif rocheux cristallophyllien qui constitue la fondation du barrage a permis d'établir, outre la géométrie des déformations qu'il a subies, une filiation hiérarchique et chronologique avec les discontinuités régionales. L'existence éventuelle d'anisotropie de contraintes actuelles a été recherchée au moyen de mécanisme au foyer de séismes, de mesures de contraintes in situ et de mesures de vitesses sismisques. Celles-ci ont réussi à mettre en évidence une direction de sollicitation actuelle N*S à NNE-SSW. la confrontation des données géologiques et des résultats de travaux de reconnaissance (sondages, essais Lugeon, galeries) montre divers cas où une perméabilité élevée du massif de fondation est liée à l'orientation des sollicitations actuelles.

Les récentes applications des théories de l'inversion à la physique du Globe ont été adaptées à l'échelle du Génie-Civil. Des mesures de durées de propagation entre puits permettent d'obtenir la répartition des vitesses sismiques dans le plan contenant les deux forages. Le problème de l'inversion en facteur de quaiité peut se poser dans les mêmes termes que ceux de l'inversion en vitesse. Des mesures d'amplitude~ permettent d'obtenir la répartition des facteurs de qualité. La mise au point des programmes d'inversion a nécessité une élaboration préalable de programmes de simulation. Les données synthétiques obtenues ont permis de juger de l'influence des divers paramètres sur les résultats des inversions ainsi que de tester les critères de contrôle des résultats. Par la suite, un matériel spécifique a été mis au point afin d'obtenir des données réelles. Les géométries des premières Images calculées, en vitesse et en facteur de qualité sont identiques. Ceci apporte une crédibilité importante aux résultats de l'inversion en facteur de qualité. L'application particulière décrite ici est le contrôle des injections. Des mesures identiques avant et après injection ont permis de déterminer clairement les conséquences diverses de l'injection dans les sous-sols étudiés.

Les instabilités rocheuses constituent l'un des risques naturels le plus souvent rencontre dans les grands reliefs alpins et restent malgré tout un domaine encore mal connu des Sciences de la Terre. Compte tenu de leurs caractéristiques, l'amélioration de nos connaissances dans les domaine de la stabilité des massifs rocheux passe par l'instrumentation et la surveillance de ces instabilités. L'objet de cette thèse a ainsi tout d'abord consisté à mettre au point un dispositif instrumental multi-capteurs, constituant une base solide pour l'acquisition en continu de paramètres pertinents pour les suivi temporel de la stabilité des massifs rocheux. Ce dispositif permet en effet de mesurer et stocker en continu et de façon autonome pendant de longues durées (plusieurs mois) des données hautes fréquences (jusqu'à 1 kHz) et lentes issues de différents types de capteurs. Par ailleurs, il peut être télémétré de façon à suivre à distance l'évolution du site surveille ainsi que les fonctionnement de l'instrumentation. La station de mesure mise au point permet également de faire un pré-traitement des données et a été agrémentée d'algorithmes de surveillance permettant de combiner différents critères pour une première gestion d'alerte. Le travail réalisé a en outre permis de mettre au point un système de transmission par réseau maillé et un système de supervision distant orienté client-serveur. En juin 2008, ce système de surveillance permet de suivre une quinzaine de sites instables en France. Dans les cadre de cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'évolution des déformations subies par une écaille rocheuse instable, sur les site de Chamousset (Sud-Est Vercors), jusqu'à environ une semaine avant son éboulement. L'observation de différents paramètres (déformation, météorologie, écoute sismique) et leur suivi temporel pendant environ 3 mois ont ainsi permis de mettre en évidence : une accélération nette mais modérée du déplacement horizontal du sommet de l'écaille, fortement liée aux épisodes de gel-dégel; de très nombreux nano-séismes, dus à la rupture progressive de l'écaille et dont certains présentent une fréquence dominante très basse (5 a 10 Hz), probablement dominée par la résonance de l'écaille;des modes spectraux s'individualisant à des fréquences supérieures à 10-15 Hz sur l'écaille et ayant tendance à augmenter en moyenne avec les temps; l'occurrence de crises sismiques qui ne dégénèrent pas vers l'instabilité. Compte tenu de sa dynamique, l'expérimentation réalisée sur ce site a permis de progresser dans la connaissance des processus mis en jeu et notamment de mettre en évidence de nouveaux paramètres dignes d'intérêt pour l'étude de ce type d'instabilités et donc de préciser les spécifications des caractéristiques instrumentales à atteindre.

Les rides de Barracuda et de Tiburon sont deux reliefs sous-marins situés dans la partie ouest de l'océan Atlantique, là où la lithosphère océanique des plaques Amérique du Nord (NAM) et Amérique du Sud (SAM) est entraînée par subduction sous la plaque Caraïbe, formant l'arc volcanique des Petites Antilles et le prisme d'accrétion de Barbade. Le processus et la période de soulèvement conduisant au relief actuel de ces rides (qui semblent être un marqueur important dans l'histoire géodynamique de la région) sont sujets à débat depuis des décennies.L'interprétation de nouvelles données de sismique réflexion et de bathymétrie multifaisceaux acquises à travers les rides de Barracuda et de Tiburon (campagne Antiplac, 2007 ) a permis de dater les périodes de soulèvements des rides et réaliser des reconstructions paléogéographiques incluant les flux sédimentaires majeurs, depuis le Crétacé jusqu' à l'Actuel.L'analyse structurale révèle des phases de réactivations tardives d'anciennes zones de fractures dans un contexte transpressif, conduisant aux surrections des rides de Tiburon et de Barracuda.Les processus géologiques possibles impliqués dans la formation des rides de Barracuda et de Tiburon coïncident avec les modèles cinématiques récents décrivant les mouvements relatifs entre les plaques NAM et SAM, le long de la limite de plaque diffuse.Ces résultats permettent de mieux définir la limite de plaque entre NAM et SAM. Elle est nécessairement hétérogène exploitant les zones de faiblesses dans la lithosphère que sont les zones de fracture. Au sein de cette limite de plaque la lithosphère serait donc fragmentée.

Les bassins sédimentaires sont l'expression de déformations lithosphériques. Plus la durée de vie d'un bassin est longue, plus sa probabilité de changer de nature géodynamique est forte. De nombreux bassins enregistrent le passage d'un régime extensif à un régime compressif. Cette évolution peut se traduire par un arrêt définitif de son fonctionnement, ou à l'inverse, par une réorganisation majeure de la subsidence et des faciès. Ces évolutions sont de type marge passive / marge active ou de type bassin intracratonique / bassin d'avant-pays, voire rift oblique / avant-pays. Si le premier type d'évolution a fait l'objet de nombreuses modélisations, ce n'est pas le cas du dernier. Le propos de ce travail est d'étudier les modalités de passage d'un rift oblique à un bassin d'avant-pays et ses conséquences sur l'enregistrement sédimentaire à partir de l'analyse 3D des géométries sédimentaires (Serrano et al., 2001). Le domaine étudié est le bassin d'Aquitaine du Crétacé supérieur au Paléogène, durant la 'convergence Ibérie-Eurasie et sa conséquence: la formation de la chaîne des Pyrénées. En effet, si l'histoire du Crétacé inférieur à l'Eocène supérieur est relativement bien connue, avec (1) un rift oblique au Crétacé inférieur et (2) la "phase" dite pyrénéenne à l'Eocène moyen-supérieur, les modalités d'évolution de l'un à l'autre demeurent sujettes à nombreuses discussions. Nous nous proposons donc, d'apporter de nouveaux éléments pour contraindre cette étape cruciale de l'histoire du bassin d'Aquitaine que constitue le passage d'un régime extensif à un régime compressif. Cette démarche repose sur une analyse 3D des géométries sédimentaires selon les principes de la stratigraphie séquentielle, sur puits et sismique.

Le travail présenté est consacré à l'étude sismologique du séisme du 27 septembre 2003 qui a eu lieu en Altay (Mongolie, Russie) et à l'interprétation des résultats dans le cadre d'une étude tectonique de la chaîne de l'Altay.<br />Dans le premier chapitre nous avons collecté les informations morphologiques, géologiques et tectoniques dans la littérature existante. Nous en avons déduit un schéma simple de déformation de la chaîne avec 4 failles NW-SE majeures. Nous avons complété ces informations avec une interprétation d'images satellites sur lesquelles sont mesurés des déplacements horizontaux. Les décalages semblent de même amplitude sur le même faille, mais variables d'une faille à l'autre. Nous proposons un partionnement du mouvement à l'intérieur du bloc Altay et discutons de la compatibilité avec une rotation anti-horaire du bloc.<br />Dans le second chapitre nous analysons le catalogue de sismicité de Mongolie produit par le RCAG. Nous montrons qu'une grande partie des événements peuvent être considérés comme des répliques des grands séismes qui ont eu lieu au siècle dernier. Nous analysons la distribution de la b-value dans différentes régions en relation avec l'occurrence de grands séismes. L'accent est mis sur la région de l'Altay.<br />Dans le 3ième chapitre nous introduisons le contexte géologique du séisme de Chuya (Ms = 7.3) et les observations de qui ont pu être faites en surface du déplacement horizontal produit par le séisme. Les mesures sur les traces de surface sont comparées à des mesures plus globales obtenues sur l'auto-corrélation d'image SPOT. La géométrie très semblable contraint très bien la position du séisme.<br />Dans le 4ième chapitre est analysée la position des séismes majeurs de la séquence sismique à partir de données sismologiques de réseaux permanents. Une meilleure image de la distribution des répliques est produite par l'interprétation des données d'un réseau temporaire déployé sur le zone épicentrale. Cet essaim de séisme montre une activité sur 90 km de long dans la direction NW-SE le long du bord sud des dépressions de Chuya et Kurai et jusqu'à des profondeurs de 20 km.<br />Dans le 5ième chapitre est présenté un modèle de rupture des 3 événements majeurs de la séquence obtenu par inversion des ondes de volume P et SH. Ces 3 séismes présentent une rupture complexe avec plusieurs sous événements de mécanisme différent et des vitesses de rupture assez variables. Les valeurs de durée de source et de vitesse de rupture sont en bon accord avec les observations de surface.<br />L'ensemble de ces résultats permet de proposer un schéma global de la séquence cohérent en accord avec la morphologie et la tectonique dans cette partie de la chaîne.

Enjeux :<br />Le pétrole ne se manifeste à distance par aucune propriété physique permettant sa découverte. C'est pourquoi<br />l'exploration pétrolière consiste à imager par la méthode sismique les pièges susceptibles d'en contenir. Le but de la<br />migration, ou rétropropagation numérique des enregistrements sismiques, est de former une image des structures<br />géologiques en replaçant en profondeur les réflecteurs qui ont causé les échos enregistrés. Les variations de la<br />vitesse de propagation des ondes, de 1500 m/s dans l'eau à 6000 m/s et plus dans les roches sédimentaires<br />compactes, rendent cette tâche critique car un modèle de vitesse erroné donne une image très distordue. Le coût<br />énorme des forages effectués sur des structures fausses impose l'obtention d'images précises du sous-sol et donc la<br />détermination du champ des vitesses sismiques, surtout en contexte de piémonts lorsque les images sont peu<br />lisibles.<br />Positionnement du sujet :<br />Toutes les méthodes de détermination des vitesses exploitent la redondance des données sismiques : chaque portion<br />de réflecteur renvoie plusieurs échos correspondant à des couples source-récepteur dont le déport, la distance de la<br />source au récepteur, diffère. Certaines méthodes telles que la tomographie fonctionnent bien lorsque les structures<br />géologiques sont assez simples pour que les réflexions soient bien reconnaissables sur l'ensemble des<br />enregistrements, mais ce n'est pas le cas dans les piémonts. Nous avons donc choisi la migration itérative, dont le<br />principe est que, la Terre étant unique, les images obtenues avec les différents déports doivent être superposables.<br />Ce critère ne suffisant généralement pas à déterminer les vitesses correctes, il est nécessaire d'introduire des<br />informations géologiques. Pour l'optimisation du champ des vitesses, les méthodes de gradient étant<br />d'implémentation fort lourde, nous avons choisi un algorithme évolutionnaire pour sa simplicité, son adaptabilité, et<br />surtout son automaticité. De plus, la diversité de la population optimale donne une idée de l'incertitude qui entache<br />le résultat.<br />Résultats :<br />Parmi tous les champs de vitesses possibles, bien peu ont une géométrie géologiquement acceptables, d'où l'idée de<br />ne manipuler que des modèles satisfaisant au critère de coupe équilibrée. Une coupe est équilibrée lorsqu'elle est<br />compatible avec les hypothèses de conservation des épaisseurs et des longueurs mesurées le long des couches.<br />Dans une première partie, nous avons montré que l'on pouvait non seulement générer des modèles<br />géométriquement plausibles, mais aussi les optimiser relativement à des données de pendage de couches ou de<br />position de chevauchements disponibles à l'affleurement ou dans des puits. La seconde partie concernant<br />l'optimisation des vitesses n'a pu être reliée à la première. Dans cette seconde partie, nous avons représenté le<br />champ de vitesses par des grilles. Par le choix d'un algorithme évolutionnaire multi objectif, nous avons pu faire<br />coopérer efficacement les critères de semblance et de semblance différentielle qui, tous deux, mesurent l'invariance<br />de l'image migrée quant au déport. Nous avons amélioré le réalisme des solutions en les lissant dans la direction du<br />pendage. Enfin, nous avons extrait, des écarts à cette invariance, des corrections des grilles de vitesse qui<br />accélèrent notablement la convergence. Les résultats obtenus sur les données Marmousi, un cas synthétique<br />réaliste, sont satisfaisants. Sur les données réelles de Mer du Nord, le dôme de sel reste un problème non résolu par<br />les méthodes automatiques, mais ses environs sont bien imagés.<br />Transfert des résultats vers l'industrie :<br />Le principal intérêt de la méthode développée est son automaticité et sa souplesse. Son créneau est le dégrossisage<br />rapide de problèmes difficiles, avant qu'un interprétateur ne reprenne la main avec des méthodes interactives plus<br />poussées, mais aussi plus exigeantes en expérience et plus consommatrices de temps humain.

Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d'un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d'inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d'arrivée des ondes P et S); et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont: une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l'isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu'il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l'angle d'orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l'azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d'un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques.

L'isthme de Panama se situe en bordure sud-ouest de la plaque Caraïbe, à la jonction de trois plaques lithosphériques: les plaques Amérique du Sud, Nazca et Cocos. Cet isthme est essentiellement constitué d'un arc volcanique formant l'Amérique Centrale. Deux arcs se distinguent: un premier d'âge Campanien supérieur-Eocène moyen, et un second actif depuis l'Oligocène. Leurs présences reflètent une histoire de convergence, en subduction, de la plaque Farallon, aujourd'hui disparue, puis plus récemment de la plaque Cocos. L'événement majeur de cette région est sans nul doute la collision de l'Amérique Centrale avec l'Amérique du Sud. L'âge de cette accrétion varie entre 12 et 25 Ma. La surrection, à partir de 15 Ma, est une des conséquences de cette collision arc-continent. Ces terres émergées facilitent le passage d'espèces animales entre les deux Amériques, mais bloquent également la circulation océanique entre l'océan Atlantique et l'océan Pacifique, impactant de manière globale le Climat. L'objectif de ma thèse est de documenter finement les déformations avant, pendant et après le processus d'accrétion continentale. Mon but est de mieux comprendre comment un arc volcanique s'accrète sur une marge continentale pour reconstruire l'histoire géodynamique de cette région du Crétacé supérieur (~ 70 Ma) jusqu'à nos jours. Je me suis focalisée sur la région est du Panama, au plus proche de la zone de collision, région encore peu étudiée. Pour mener à bien cet objectif, ma thèse combine: (1) une étude sédimentologique apportant de nouvelles datations paléontologiques, (2) une étude structurale avec de nouvelles coupes géologiques et une carte structurale à partir de données spatiales, géophysiques, et de terrain, (3) une étude thermochronologique basse température pour contraindre les mouvements verticaux, et (4) une étude interprétative de sismique réflexion pour contraindre l'influence de la tectonique dans la migration des masses sédimentaires. Mes résultats sont présentés sous la forme d'une reconstitution géodynamique de la région. L'accrétion d'un arc volcanique sur une marge continentale dépend des contraintes aux frontières de plaques et de la morphologie de la zone. Chaque cas est unique. Cependant, mes résultats montrent qu'une accrétion oblique implique un réajustement des contraintes aux frontières, un arrêt du volcanisme, des fractures profondes de la croûte océanique de l'arc, des rotations de blocs en régime transtensif. Ces événements géologiques et tectoniques expliquent une accrétion progressive en fermeture éclair. Je propose ainsi une accrétion progressive de l'Amérique Centrale sur l'Amérique du Sud, s'initiant au sud dans la région d'Istmina à l'Eocène moyen-supérieur (40 et 37 Ma). Jusqu'au Miocène moyen, la plaque Caraïbe, piégée entre l'arc volcanique et la marge continentale sud Américaine, disparaît sous l'Amérique du Sud. Au Miocène moyen (~ 15 Ma), l'accrétion de l'arc dans la partie colombienne se termine. Dans l'isthme de Panama, la convergence vers le continent se poursuit, mais le système s'inverse. Une nouvelle subduction s'initie où la plaque Caraïbe subducte sous l'isthme. Je montre également que les déformations compressives engendrées par l'accrétion contrôlent la migration des masses sédimentaires et permettent la surrection progressive de l'isthme créant le pont inter-Amériques.