L'éruption de 2010 du Merapi est la première grande éruption explosive du volcan qui a été observée instrumentalement. Dans ce travail, nous étudions les précurseurs de l'éruption et le comportement du volcan avant l'éruption en reliant les caractéristiques sismiques avec d'autres observations disponibles. Nous présentons les principaux aspects de l'activité sismique au cours de la crise de 2010, tels que la chronologie de la sismicité, l'évolution spatio-temporelle des positions de source de séisme et les changements de vitesse sismique. En effectuant des localisations absolues et relatives, nous obtenons des preuves de l'existence de zones asismiques, concordant avec des études antérieures, que nous interprétons comme des zones plus ductiles. La migration du magma de la partie profonde à la partie superficielle du conduit à travers la zone asismique supérieure est mise en évidence par un déplacement vers le haut des hypocentres. Nous analysons l'énergie sismique quantifiée par le RSAM calculé pour plusieurs bandes de fréquences. Ces fonctions affichent des accélérations claires dans les dernières semaines avant l'éruption. Ce comportement est utilisé pour effectuer des prévisions d'éruption volcanique rétrospective avec la méthode « Material Failure Forecast » ou FFM. Le début de la première éruption est estimé avec une bonne précision. Nous proposons une méthode originale de détection d'événement basée sur un rapport d'énergie. En utilisant cette méthode et la corrélation de la forme d'onde, nous identifions 10 familles de séismes similaires. Ces multiplets sismiques sont situés en dessous ou au -dessus de la zone asismique supérieure et sont composés soit d'événements volcano-tectoniques soit d'événements basse fréquence. Certains de ces groupes ont été actifs pendant plusieurs mois avant la crise éruptive alors qu'une famille qui comprend 119 événements répétitifs est apparue 20 heures avant le début de l'éruption. Nous estimons des variations de vitesse sismique, liées principalement à l'activité magmatique, en utilisant la coda des multiplets et les fonctions d'intercorrélation du bruit sismique. Ces variations montrent une forte variabilité spatiale et temporelle de leur amplitude et de leur signe. Bien qu'elles ne puissent pas être décrites par une simple tendance unique, ces variations de vitesse peuvent être considérées comme un précurseur de l'éruption. En utilisant les résultats précédents ainsi que d'autres observations, nous déterminons les particularités associées à la grande éruption explosive de 2010. En outre, nous proposons un scénario chronologique de l'activité pré- éruptive du Merapi. / The 2010 eruption of Merapi is the first large explosive eruption of the volcano that has been instrumentally observed. In this work, we study the eruption precursors and the pre-eruptive volcano behaviour by linking seismic features with other available observations. The main characteristics of the seismic activity during the 2010 crisis, including the chronology of seismicity, the spatio-temporal evolution of earthquake source positions and the seismic velocity changes, are presented. By performing absolute and relative locations, we obtain evidences of aseismic zones which are consistent with earlier studies and are interpreted as more ductile zones. Magma migration from the deep to the shallow part of the conduit through the upper aseismic zone is revealed by an upward shift of the hypocenters. We analyse the seismic energy quantified by RSAM calculated for several frequency bands. These functions display clear accelerations in the last few weeks before the eruption. This behaviour is used to perform hindsight eruption forecasting with the Material Failure Forecast method (FFM). The onset of the first eruption is estimated with a good precision. We propose an original method of event detection based on energy ratio. Using this method and waveform correlation, we identify 10 families of similar earthquakes. The seismic multiplets are located either below or above the upper aseismic zone and are composed of either volcano-tectonic or low-frequency events. Some of the clusters were active during several months before the eruptive crisis while a family that includes 119 repeating events appeared 20 hours before the eruption onset. Seismic velocity variations associated mainly with magmatic activity are estimated using the coda of both multiplets and noise cross correlation functions. These variations display strong temporal and spatial variability of their amplitude and sign. Although they cannot be described by a unique simple trend, these velocity variations can be considered as an eruption precursor. Using the preceding results together with other observations, we determine the specific features associated with the large explosive eruption of 2010. Furthermore, we propose a chronological scenario of the pre-eruptive activity of Merapi 2010 unrest.

L'aléa sismique d'un site donné peut être largement influencé par des effets de site. Afin d'évaluer ces effets, la structure locale du sous-sol ainsi que les propriétés du champ d'onde doivent être étudiées. Les ondes de surface (ondes de Love et de Rayleigh) s'avèrent utiles, leurs propriétés (courbes de dispersion, ellipticité des ondes de Rayleigh) étant directement liées à la structure du sous-sol. Le paramètre clé pour l'identification du type d'onde est la polarisation. Dans la première partie de la thèse, de nouvelles méthodes pour l'estimation de paramètres de polarisation d'ondes de surface sont développées. Deux méthodes, DELFI et RayDec, estiment l'ellipticité des ondes de Rayleigh à partir d'enregistrements d'un seul capteur sismique. La troisième méthode, MUSIQUE, est basée sur la méthode MUSIC et utilise les enregistrements multi-composantes de réseaux sismiques afin de distinguer ondes de Love et ondes de Rayleigh et d'estimer leurs propriétés. Dans la deuxième partie de la thèse, une étude théorique de l'inversion de courbes d'ellipticité montre quelles parties de ces courbes véhiculent les informations importantes sur la structure du sol et comment l'inversion peut être améliorée. Le schéma d'inversion résultant est alors testé en l'appliquant à des données réelles mesurées pour 14 sites européens. Finalement, 22 séismes enregistrés par un réseau de capteurs dans la vallée de Santa Clara en Californie sont analysés par MUSIQUE. La répartition azimutale, les courbes de dispersion, la courbe d'ellipticité et les énergies des différents types d'ondes sont analysées et soulignent l'importance des ondes de surface diffractées dans le champ d'ondes enregistré. / The seismic hazard of a given site can be largely influenced by site effects. In order to estimate these effects, the local soil structure and the wave field properties have to be investigated. This can be done using surface waves (Love and Rayleigh waves) since their properties (dispersion curves, Rayleigh wave ellipticity) are closely linked to the soil structure. The key parameter for the correct wave type identification is the polarization. In a first part of this thesis, three new methods to estimate the polarization parameters of surface waves have been developed. Two methods, DELFI and RayDec, estimate the Rayleigh wave ellipticity using the recordings of a single seismic station. The third method, MUSIQUE, is a further developed version of the MUSIC algorithm, and uses seismic array recordings to discriminate between Love and Rayleigh waves and estimate their respective properties. In the second part of the thesis, a theoretical investigation of the inversion of ellipticity curves shows which parts of an ellipticity curve carry the important information on the soil structure and by which means the inversion can be disambiguated. The developed inversion scheme is then tested on real data measurements obtained at 14 different European sites. Finally, the seismological wave field in the Californian Santa Clara valley is investigated applying MUSIQUE to seismic array recordings for 22 earthquakes. The azimuthal energy repartition between the different wave types is investigated and the respective dispersion curves as well as the Rayleigh wave ellipticity curve are estimated. This study outlines the importance of diffracted surface waves in the recorded wave field. STAR

Nous souhaitons connaître les processus qui contrôlent les glissements de terrain lents à l’aide de méthodes sismiques passives. Nous installons des dispositifs d’écoute sismique sur les sites de Super-Sauze (France) et de Valoria (Italie). Nous détectons, localisons et caractérisons trois types principaux de signaux sismiques. Un type est associé aux séismes régionaux donc externe à la dynamique des glissements. Les deux autres sont localisés dans des foyers de fissures ou des ruptures de pente. Nous suggérons que le premier type est associé à des écroulements depuis l’escarpement et à du transport en surface, tandis que le second type est associé à des fractures et des cisaillements. On montre qu’il existe des corrélations entre ces signaux, les déplacements en surface et les précipitations. Les glissements de terrain sont des volumes variables dans le temps et dans l’espace, ce qui impose une maintenance régulière des équipements et complexifie l’acquisition de données permanentes. / We aim at improving our knowledge regarding slow-moving landslide evolution processes by means of passive seismic methods. Seismic arrays have been installed on two landslides (Super-Sauze, France and Valoria, Italy). We detect, locate and characterise three main types of seismic signals. One type corresponds to the regional earthquakes and is also external to the dynamics of the landslides. The two others are located into clusters close to fractured or scarp zones. The first type is interpreted as rock falls or brittle material propagating along the slide, while the second type is interpreted as fracture or shearing phenomena. We evaluate that displacements and precipitations might be correlated with seismic signals variations. Landslides are likely to move and to mechanically change in space and time, which implies a continuous monitoring of the seismic equipment and prevents from long-term acquisition.

Les données de VSP multi-source/multi-offset acquises en 2007 sur le site géothermique de Soultz-sous-Forêts sont traitées et analysées. Des géophones placés dans les puits GPK3 et GPK4 entre 3 et 5 km de profondeur ont enregistré les ondes sismiques émises par deux vibrateurs placés en 24 positions de tir réparties dans un rayon de 5 km autour des puits. Après corrélation des enregistrements avec la source associée à chaque vibrateur, les différentes composantes du champ d'onde sont séparées par filtrage en vitesse apparente. La comparaison des résultats obtenus par filtrage médian ou dans le domaine FK montre des signaux similaires. Un modèle de vitesse est établi pour pouvoir calculer les temps d'arrivée. Il comporte deux couches sédimentaires sur le socle granitique et des interfaces planes pentées. Le champ d'onde descendant de forte vitesse apparente est interprété comme des réflexions sur des structures subverticales autour des puits. Leur pendage, azimut et extension latérale sont déterminés en ajustant les temps de trajet observés et calculés par tracé de rayons 3D. Les structures à pendage vers l'ouest connues par les observations en forage et la microsismicité sont retrouvées. Une structure antithétique nouvelle est déterminée. Nos résultats permettent de compléter le modèle structural de la fracturation dans le réservoir géothermique. / The vertical seismic profiles (VSP) acquired in 2007 with multi-component geophones placed at depths between 3 and 5 km in two wells at the Soultz-sous-Forêts geothermal site are processed and analyzed. The multi-offset, multi-azimuth VSP were acquired with two simultaneously vibrating sources located in 24 distinct shot positions. After correlation of the raw records with the proper sweep sequence, the different components of the wavefield are separated according to their apparent velocities. The results obtained by median or FK filtering are similar. A velocity model is created in order to compute traveltimes. Two layers in the sediments above the granitic basement are separated by plane dipping interfaces. The downgoing waves having a fast apparent velocity are interpreted as reflections on steeply dipping reflectors. The dip, the azimuth and the lateral extent of these structures away from the well are determined by fitting the observed traveltimes with those computed by 3D ray tracing. The west dipping structures already known from borehole logging and the trends of microseismicity are constrained. A new antithetic structure is determined. Our results improve the structural model of fracturation in the geothermal reservoir.

Cette thèse porte sur l’étude de la déformation de surface (petite et grande déformation) pouvant être détectée en utilisant la méthode de l’interférométrie "InSAR " pour le traitement des images SAR (Synthetic Aperture Radar, bande C : λÉ = 5.6 cm) et signal associé à synthèse d'ouverture. Les nouveaux développements des techniques de traitement InSAR permettent le suivi de la déformation en surface avec une précision de l'ordre millimétrique. Les traitements dites conventionnels de l'InSAR utilisent une paire d'images SAR ("Maitre" et "Esclave") afin de mesurer la différence de phase entre les deux prises de la même scène d'image à des moments différents. Les incertitudes dans les mesures obtenus à partir du traitement conventionnel de l'InSAR sont nombreuses : la décorrelation dans le signal en raison du délai du à l'atmosphère, la contribution topographique et les positions orbitales sont les handicaps majeurs de cette technique. En 2001, Ferretti et al. ont introduit une nouvelle méthode appelée Permanent Scatterer (PS-InSAR) également connue sous le nom de Persistent Scatterer. Pour cette méthode, nous utilisons une série d'images, dont une dite esclave pour construire des interférogrammes avec la même image dite « Maître ». Cette méthode permet d'améliorer le signal de visé (LOS) en terme de correlation pour chaque pixel (PS) en utilisant les meilleurs réflecteurs donnant une corrélation maximale (à partir de l'amplitude et/ou la phase) dans le temps et dans l'espace. Un grand nombre d'algorithmes a été élaboré à cet effet en utilisant le même principe (des variantes) décrit auparavant. En 2002, Berardino et al. publient un nouveau algorithme développé pour le suivi de la déformation en surface en se basant sur les interférogrammes produits à partir des couples d’image SAR ayant une petite séparation spatial (SBAS) de la ligne de base.Dans cette thèse, les techniques InSAR sont appliquées pour différents cas d’étude allant de la petite déformation en surface telle que: 1) Un affaissement dans une zone de puits de pétrole, 2) des glissements de terrain dans une zone urbaine, et 3) la déformation lente à travers les zones de failles des zones sismiques. Afin d'étudier la petite déformation j'opte pour l’utilisation des deux algorithmes (PS et SBAS) dit de traitement multi-temporelle de l’InSAR incorporés dans le logiciel StaMPS (Hooper, 2008). Ainsi, j’ai pu calculer la méthode de combinaison ou hybride entre PS et SBAS et ce, pour toutes les études de cas présentées dans cette thèse. Par ailleurs, certains logiciels en libre accès sont utilisés tout au long de cette thèse tel que, Roi-pac (Rosen et al., 2004) pour aligner les images SAR ainsi que Doris (Kampes et al., 2003) pour calculer interférogrammes à partir de images SAR.[...] / This thesis aims at the study of small to large surface deformation that can be detected using the remote sensing interferometric synthetic aperture radar (InSAR) methods. The new developments of InSAR processing techniques allow the monitoring of surface deformation with millimeter surface change accuracy. Conventional InSAR use a pair of SAR images (“Master” and “Slave” images) in order to measure the phase difference between the two images taken at different times. The uncertainties in measurements using the conventional InSAR due to the atmospheric delay, the topographic changes and the orbital artifacts are the handicaps of this method. The idea of InSAR method is to measure the phase difference between tow SAR acquisitions. These measure refere to the ground movment according to the satellite position. In interferogram the red to blue colors refere to the pixel movement to or far from the satellite position in Line-Of-Sight (LOS) direction. In 2000’s, Radar spacecraft have seen a large number of launching mission, SAR quisitions and InSAR applicability have seen explosion in differents geophysical studies due to the important SAR datas and facility of data accessibity. This SAR-mining needs other type and generation of InSAR processing.In 2001, Ferretti and others introduce a new method called Permanent Scatterer InSAR (PS) that is based on the use of more than one Slave image in InSAR processing with the same Master image. This method allows enhancing the LOS signal for each pixel (PS) by using the best time and/or space-correlated signal (from amplitude and/or from phase) for each pixel over the acquisitions. A large number of algorithms were developed for this purpose using thesame principle (variantes). In 2002, Berardino et al developed new algorithm for monitoring surface deformation based on the combination of stack of InSAR results from SAR couples respecting small baseline (SB) distance. Nowadays, these two methods represent the existing time series (TS) analysis of SAR images approaches. In addition, StaMPS software introduced by Hooper and others, in 2008 is able to combine these two methods in order to take advantages from both of this TS approaches in term of best signal correlation and reducing the signal noise errors. In this thesis, the time series studies of surface changes associate to differents geophysical phenomena will have two interest: the first is to highlight the PS and SBAS results and discuss the fiability of obtained InSAR signal with comparation with the previous studies of the same geophysical case or observations in the field and in the second time, the combined method will also validate the results obtained separately with differents TS techniques. The validation of obtained signal is assured by these two steeps: Both of PS and SBAS methods should give relatively the same interferograms and LOSdisplacement signal (in term of sign and values), in addition these results will be compared with the previous studies results or with observations on the field.In this thesis, the InSAR techniques are applied to different case-studies of small surface deformation [...]

La technique des corrélations de bruit ambiant est aujourd'hui largement utilisée en sismologie. Elle présente l'avantage essentiel de fournir des données qui ne dépendent pas de l'occurrence des séismes. Cette technique a été utilisée pour imager avec une bonne résolution la croûte dans plusieurs régions du monde. Depuis plus récemment, les corrélations de bruit sont également utilisées pour détecter des variations des propriétés élastiques de la croûte terrestre, et suivre l'évolution temporelle de structures géologiques potentiellement dangereuses. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté en deux parties principales : 1/ Une étude méthodologique pour améliorer la qualité des mesures sur les corrélations de bruit. La distribution des sources de bruit empêche généralement la reconstruction parfaite de la fonction de Green dans les corrélations de bruit, pouvant introduire des biais dans les mesures basées sur le bruit sismique ambiant. Nous présentons dans ce manuscrit deux approches différentes pour essayer d'éliminer l'influence des sources de bruit dans nos mesures. 2/ Une étude de suivi temporel dans la province du Sichuan (Chine), autour du séisme du Wenchuan (12 mai 2008, Mw = 7.9). Cette application offre des conditions exceptionnelles à une application de suivi temporel, avec l'étude d'un très puissant séisme continental et un très grand nombre de données. Nous nous sommes en particulier intéressés au comportement de la croûte à différentes profondeurs, en réponse au séisme. Nous présentons également une méthode d'inversion pour localiser les variations dans le milieu. / The ambient noise correlation technique is now widely used in seismology. It is especially useful since data provided do not depend on the occurrence of earthquakes. This technique has been used to construct high-resolution tomographic images of the crust in various regions of the world. More recently, ambient noise correlations have been used to detect changes in elastic properties of the Earth's crust, and monitor the temporal evolution of potentially dangerous geological structures. In this scientific context, my research work has consisted of two main parts : 1/A methodological study to improve the quality of noise-based measurements. Usually, the distribution of noise sources prevents the exact reconstruction of the Green's function in noise correlations, that may introduce bias in noise-based measurements. We propose here two different approaches that can help in suppressing noise source influence in measurements. 2/A monitoring case study in Sichuan (China), associated with the Wenchuan earthquake (12 May 2008, Mw = 7.9). This case study provides many opportunities, with the study of a great continental earthquake and a large amount of data available. We especially investigated the behavior of the crust at different depths, in response to the Wenchuan earthquake.We also present an inversion method in order to locate variations in the medium.

Ces dernières années ont vu le développement d'une nouvelle méthode d'imagerie des structures géologiques basée sur l'utilisation du bruit sismique continu. Dans ce travail nous avons utilisé cette approche dans deux problématiques différentes. La première consiste à réaliser le suivi temporel des vitesses des ondes sismiques dans la croûte lors de séismes lents qui ont eu lieu dans la région de Guerrero au Mexique. Les séismes lents sont des glissements asismiques et transitoires qui ont été découverts récemment dans la lacune sismique de Guerrero. Ils sont considérés comme une part importante de la relaxation des déformations dans le cycle sismique. Les séismes lents affectent le processus de chargement et déchargement de l'interface, il est donc important de comprendre le comportement mécanique de la subduction dans cette région pour mieux évaluer le risque sismique. Dans notre étude, nous avons mesuré les perturbations de vitesse des ondes associées à deux séismes lents en 2006 et 2009-2010 à partir des enregistrements continus du bruit sismique. Pour chacun des deux séismes lents on observe une chute de vitesse : elle s'élève à 0.2% pour celui de 2006 et à 0.8 % pour celui de 2009-2010. Au cours de ces séismes lents, les ondes de longues périodes (>10 s) sont perturbées. A courtes périodes, aucune variation de vitesse n'est observée ce qui suggère qu'un endommagement des couches superficielles de la croûte ne peut pas être à l'origine du changement de vitesse. Par ailleurs, la perturbation de vitesse est reliée au taux de dé- formation plutôt qu'à la déformation elle-même. Cette observation suggère que pendant de forts séismes lents, la croûte chevauchante présente un comportement mécanique non linéaire. Nous pouvons donc utiliser les variations de vitesse comme des marqueurs du taux de déformation du milieu. Enfin, une corrélation entre les trémors non volcaniques et les variations de vitesse suggère qu'une part importante de la déformation résultant des séismes lents est accommodée par la croute chevauchante. La deuxième problématique abordée dans cette thèse est l'imagerie de structures à fort contraste de vitesse et dans lesquelles la propagation des ondes de surface est complexe. Imager et comprendre la propagation des ondes dans la vallée de Mexico est crucial pour l'estimation du risque sismique à la capitale. Nous mesurons la dispersion des ondes de Rayleigh reconstruites à partir d'intercorrélations de bruit de fond sismique. Pour identifier les modes nous utilisons une mesure du rapport spectral des composantes horizontales sur la composante vertical (H/V) sur la coda des séismes que l'on compare avec le rapport H/V théorique. Grâce à cette identification des modes, nous pouvons retrouver le modèle de vitesse de la structure. / Recent years have seen the development of a new method for imaging geological structures based on continuous seismic noise. In this work we used this approach in two different problems. The first is to monitor seismic waves velocity in the crust during slow slip events that occurred in the region of Guerrero in Mexico. These slow slip events are aseismic transients that were observed recently in the seismic gap of Guerrero. They are considered an important part of the strain relaxation in the seismic cycle. Since slow slip events affect the process of loading and unloading of the interface, it is important to understand the mechanical behavior of the subduction in this region to better assess the seismic risk. In our study, we measured wave velocity perturbations associated with two slow slip events in 2006 and 2009-2010 from continuous recordings of seismic noise. For both events we observed a drop in wave speed : it reaches 0.2 % in 2006 and 0.8 % in 2009-2010. During these slow slip events waves of long periods (> 10 s) are disturbed. At short period, no velocity variation is observed suggesting that damage of the superficial layers of the crust cannot produce such velocity perturbation. Moreover, the wave speed change is related to the strain rate rather than the deformation itself. This observation suggests that during strong slow slip events the overriding crust presents a nonlinear mechanical behavior. We can therefore use the velocity variations as a proxy of the strain rate of the medium. Finally, a correlation between non-volcanic tremor and changes in waves speed suggests that part of the deformation resulting from the slow slip events is accommodated by the overriding crust. The second issue addressed in this thesis is imaging geological structures with high velocity contrast in which the propagation of surface waves is complex. Charac- terizing and understanding wave propagation in the Valley of Mexico is crucial for the estimation of seismic risk in Mexico City. We measure the dispersion of Rayleigh waves reconstructed from cross-correlations of seismic noise. To identify the modes of Rayleigh waves we use a measure of the spectral ratio of the horizontal components to the vertical component (H / V) in the coda of earthquakes which are compared with the theoretical H / V. With this identification method, we can find the velocity model of the structure.

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.

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 / This work provides new constraints on the development and on the distribution of the deformation in the upper mantle and particularly beneath transform plate boundaries. USArray experiment and the remarkable increase of the dataset in California for the past ten years allowed us to scrutinize the lateral variations of the anisotropy in the vicinity of the San Andreas Fault zone. We have confirmed and increased the detection of two layers of anisotropy beneath this plate boundary. The first layer, located in the lithosphere, is related to the deformation induced at the fault, and the other one, located in the asthenosphere, is coherent with the anisotropy observed far from it, its origin is however less clear. We show that the deformation zone associated both to the San Andreas, Calaveras and Hayward Faults, is likely 40 km wide at 70 km depth. We then performed numerical thermomechanical modeling (ADELI) of the displacement of a transform plate boundary associated with the computation of the development of crystallographic fabrics using a viscoplastic self-consistent approach (VPSC). We analyzed the distribution of the deformation in the model ant looked after the possible interactions at depth between deformation caused at surface by the strike-slip dynamic of the fault and the shearing at the base of the lithosphere caused by the horizontal displacement of the plates. Elastic properties derived from the crystallographic fabrics modeled, show that such interactions exist and induce, beneath the fault zone, a progressive rotation of the crystallographic fabrics with depth. Seismological signature of these smooth rotations is however not relevant with the presence of two anisotropic layers as proposed beneath California. We thus consider that a decoupling zone exists between the lithosphere and the asthenosphere beneath the California to account for the sharp separation between a lithospheric and an asthenospheric deformation. We furthermore estimate that anisotropy observed far form the San Andreas Fault in California cannot be explained only by the drag of the asthenosphere by the North America lithosphere as proposed in our article. Indeed, we can only expect few tenths of second of splitting delay from the anisotropic properties derived from the numerical modeling of a plate moving in the same direction and in the same velocity than the North American lithosphere only for 10 Ma of displacement. As delays observed in California rather reach 1.5 s, anisotropy in this region thus requires the existence of an active asthenospheric flow to be explained.

Le Yasur est un petit stratovolcan situé au coeur d'une grande caldeira, dans la partie sud-est de l'Ile de Tanna (Sud Vanuatu). Le cratère sommital est occupé par trois évents : les évents A et B dans le sous-cratère sud et l'évent C dans le sous-cratère nord. L'activité du Yasur est caractérisée par des explosions de bulles de gaz et l'émission de petits panaches de cendres. Afin de mieux comprendre les processus volcaniques qui se produisent au sein de l'édifice, un large réseau de capteurs, comprenant 12 antennes sismiques et 10 stations large-bande, a été déployé autour du Yasur en 2008, enregistrant le signal sismique en continu. Le modèle de vitesse de la structure superficielle du volcan ainsi que de la caldeira de Siwi a été estimé jusqu'à 200 m de profondeur en utilisant les méthodes SPAC et f-k - deux techniques d'analyse du bruit ambiant inclues dans le logiciel Geospy - sur les signaux enregistrés par sept antennes. Quatre zones principales ont été distinguées et interprétées en terme de couches géologiques et de répartition des fluides (aquifère, système hydrothermal) dans la structure volcanique. Le modèle de vitesse a ensuite été intégré dans un algorithme de tracé de rai et combiné à une méthode de triangulation sismique pour localiser la source des explosions et des événements longue période. Les localisations ont permis de suivre l'évolution de l'activité en 2008 dans les différents évents, et de proposer deux modèles de dynamique éruptive pour expliquer la périodicité des explosions stromboliennes et l'intense activité observée au Yasur. Les localisations ont également permis l'estimation de la vitesse d'ascension des poches de gaz ainsi qu'une estimation de la géométrie du conduit volcanique. / Yasur is a small stratovolcano located inside a large caldeira, in the south-eastern part of Tanna Island (South Vanuatu). The summit crater is occupied by three vents: the vents A and B in the southern subcrater and the vent C in the northern subcrater. Yasur's activity is characterized by explosions of gas bubbles and the emission of small ash plumes. In order to better understand the volcanic processes that occured inside the edifice, a large seismic network, consisting of 12 antennas and 10 broadband stations, was deployed around Yasur volcano in 2008, recording continuously the seismic signal. The superficial velocity structure of Yasur volcano and of the Siwi caldeira was estimated up to 200 meters using the Spatial Autocorrelation and the frequency-wavenumber techniques - two ambient noise methods included in the software Geopsy - on seismic signals recorded by seven antennas. Four main areas were distinguished and interpreted in terms of geological layers and fluid distribution (aquifer, hydrothermal system) inside the volcanic structure. The velocity structure was inserted in a ray tracing algorithm and combined to a seismic triangulation method to locate sources of explosion quakes and LP events. Locations allow to follow the evolution of the 2008 Yasur's activity in the different vents and to propose two eruptive dynamics models to explain the periodicity of the strombolian explosions and the intense activity observed at Yasur volcano. Locations also allow the estimation of the slug rise velocity and an estimate of the volcanic pipe geometry.