Les travaux de cette thèse de Doctorat ont été menés dans le cadre de l'accord en co-tutelle entre l'Université de Strasbourg (EOST) et Istanbul Technical University (Dept. of Geology), avec l'octroi d'une bourse d'étude annuelle de !'Ambassade de France à Ankara, une bourse d'excellence EIFFEL de 10 mois, et un support financier de 8 mois de« TUBITAK 22148 - joint Ph.D. ». La zone de convergence de plaques Afrique - Eurasie comporte des failles capables de générer de forts séismes destructeurs. L'objectif de cette thèse est une meilleure compréhension du comportement de ces failles, et du cycle sismique associé, par l'analyse des déformations co-,post- et inter-sismiques enregistrées en surface, dans la zone de convergence. Une attention particulière est portée aux déformations lentes et à leur part dans le cycle sismique, mesurées en surface et analysées à l'aide des techniques lnSAR (Synthetic Aperture Radar lnterferometry), et modélisées par les méthodes de la dislocation élastique. / This Ph.D. thesis is conducted in the frame of the -co-tutellell scholarship (EOST-ITU) provided by French Embassy in Ankara. ln addition, a 10-month scholarship « Bourse excellence Eiffel » ,and 8-month scholarship « TUBITAK 22148 - joint Ph.D. » were other sources of support for the preparation of this thesis.The convergence between African and Eurasian plates is at the origin of active tectonic structures that generate large and destructive earthquakes. This thesis aims to improve our understanding of fault behavior and the earthquake cycle by analyzing surface deformation along selected active faults during the periods of co-, post-and inter-seismic deformation within the Africa-Eurasia convergence zone. ln this context, slow deformation observed at the surface and associated with the earthquake cycle is analyzed using Synthetic Aperture Radar lnterferometry (lnSAR) time series technique, and modeled with elastic dislocation methods.

Les méthodes sismiques peuvent jouer un rôle clé dans notre adaptation aux changements climatiques en permettant d'évaluer les caractéristiques géotechniques des sols, de surveiller les contaminants ou de caractériser les aquifères en vue d'une utilisation durable de l'eau potable. En particulier, le profilage sismique vertical possède la capacité d'imager des volumes de matériau autour du trou de forage (3D-VSP) à une résolution et à une échelle qui ne peuvent être atteintes avec d'autres méthodes d'imagerie géophysique. Cependant, les outils actuellement disponibles sur le marché sont développés majoritairement pour les applications pétrolière et gazière. De plus, la complexité et la propriété intellectuelle reliées à ces outils font de ceux-ci des boîtes noires pour la plupart des utilisateurs. Cette situation freine l'utilisation du profilage sismique vertical dans des applications géotechnique, hydrogéologique et minière. Afin de remédier à ce problème, les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire visent l'introduction d'instruments sismiques multicomposants, abordables, modulaires et légers qui peuvent être déployés facilement par les chercheurs et les praticiens. Le petit diamètre de l'outil et son libre accès sont des éléments clés qui vont permettre son utilisation dans plusieurs applications à des coûts raisonnables. Le système d'acquisition sismique développé est basé sur des accéléromètres très sensibles et compacts. Celui-ci a été comparé avec un numériseur de référence lors de tests en laboratoire et sur le terrain. Il affiche des performances égales et même supérieures dans le cas de signaux haute fréquence. L'outil développé est modulaire et la flexibilité de ses composants permet de le modifier facilement pour l'adapter à de nombreux autres projets d'instrumentation géophysique. Nous croyons que le système développé sous le nom de Geophysical Open Seismic Hardware représente le premier d'une série d'outils en libre accès qui contribueront à démocratiser l'utilisation de la géophysique. / Seismic methods play a key role in our adaptation to climate change by allowing us to assess geotechnical characteristics of soils, monitor contaminants, or characterize aquifers for sustainable drinking water usage. In particular, vertical seismic profiling has the ability to image volumes of material around the borehole (3D-VSP) at a resolution and scale that cannot be achieved with other geophysical imaging methods. However, the tools currently available on the market are mainly developed for oil and gas applications. In addition, the complexity and intellectual property associated with these tools have made them black boxes for most users. This situation has hindered the use of vertical seismic profiling in geotechnical, hydrogeological and mining applications. To address this problem, the work in this thesis aims to introduce affordable, modular, and lightweight multi-component seismic instruments that can be easily deployed by researchers and practitioners. The small diameter of the tool and its open access are key elements that will allow its use in several applications at reasonable costs. The seismic acquisition system developed is based on highly sensitive and compact accelerometers. It has been compared with a reference digitizer in laboratory and field tests. The latter shows equal and even better performances in the case of high frequency signals. The tool developed is modular and the flexibility of its components allows it to be easily modified to accomodate many other geophysical instrumentation projects. We believe that the developed system (Geophysical Open Seismic Hardware) represents the first of a series of open source tools that will democratize the use of geophysics.

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 gé'ologiquès 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 prochès 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 cambro-ordoviciennes 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 migratiol1 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.

Une synthèse des données sur le socle dans le SE de la France (forages, profils sismiques) conduit à l'élaboration d'une carte isobathe du toit de ce marqueur. Concernant les zones de bassin, on observe que les régions à socle peu profond montrent des vitesses d'onde P plus élevées que dans les régions à socle profond. Ceci est interprété comme une réponse différenciée selon la lithologie (boudinage en grand) dans un mécanisme d'extension précoce. Une synthèse des données sur la croûte permet de mettre en évidence un important épaississement crustal à l'aplomb des massifs cristallins externes. La signification du corps d'Ivrea est discutée en termes de superposition de plusieurs unités de manteau supérieur anormal. L'amincissement de la seule croûte supérieure sous la bordure SE du Massif Central est interprétée comme du à la formation tardive (post-extension) de la croûte inférieure. Dans une troisième partie il est proposé que le mécanisme de base d'édification de la chaîne soit un épaississement crustal discontinu provoqué par un chevauchement (écaillage) à l'échelle de la croûte, le chevauchement des massifs cristallins externes. Ce mécanisme discontinu est également invoqué pour interpréter les déformations de couverture comme résultant d'un poinçonnement de celle-ci par l'avancée du socle chevauchant.

La sismologie et les grands profils sismiques sont ici plus particulièrement utilisés pour étudier la structure profonde de quatre orogènes. Pour les Alpes occidentales, nous traitons d'abord de l'atténuation intrinsèque des ondes sismiques dans la croûte supérieure et de sa dépendance en fonction de la fréquence. Nous faisons ensuite le point sur l'état des connaissances sur l'allochtonie et l'écaillage Iithosphérique vers le milieu des années quatre-vingt. C'est en effet à cette époque que le profil Ecors-Crop Alpes à permis de davantage détailler la structure de la croûte par sismique réflexion verticale En sismique réflexion grand-angle, on a pu observer le Moho profond de la zone de racine et, dans le domaine briançonnais, une écaille de manteau imbriquée dans la croûte alpine. La sismicité et la sismotectonique des Alpes occidentales sont ensuite examinées à la lumière des données récemment acquises par le réseau Sismalp qui surveille l'activité du Sud-Est de la France. Les données télésismiques obtenues par ce même réseau ont été utilisées pour procéder à une tomographie télésismique de la limite de plaques Eurasie-Adriatique jusqu'à 200 km de profondeur. Les trois autres orogènes sont étudiés de façon plus succincte. La structure profonde de l'Atlas tunisien est d'abord présentée à travers les résultats d'une campagne de sondages sismiques profonds. Nous avons ensuite appliqué aux coupes de sismique réflection verticale du profil Ecors Pyrénées les techniques de migration mises au point dans les Alpes. Nous concluons par l'étude de la partie centrale de l'Oural par sismique réflexion grand-angle et par tomographie télésismique, deux techniques éprouvées précédemment dans les Alpes.

Un des buts essentiels en sismologie est de déduire des données enregistrées, certains connaissance sur la structure géologique ainsi que sur les caractéristiques physiques de l'intérieur de la Terre. L'interprétation de ces données en termes géologiques définit le problème inverse, problème étroitement lié au problème direct qui permet de simuler la réponse sismique d'un modèle décrit par un nombre fini de paramètres physlques. Dans la première partie, nous présentons une approche pour le problème direct : Celle-ci consiste (a) à décrire un milieu stratifié tri-dimensionnel par une méthode d'interpolation des fonctions splines bi-cubiques, (b) à générer automatiquement des codes de rai pour réflexions multiples, (c) à construire le sismogramme synthétique par une méthode tridimensionnelle, fondée sur la théorie des rais asymptotiques. La deuxième partie contribue à l'étude théorique et numérique de la tomographie sismique entre puits. Celle-ci permet d'estimer la vitesse des ondes sismiques à partir des durées de propagation mesurées dans un dispositif de sismique puits-à-puits. Jusqu'à présent la plupart des études concernant la tomographie sismique ont été effectuées sous l'hypothèse que les trajets de rais entre sources et récepteurs étaient rectilignes. Une telle hypothèse n'est valable que dans le cas où les hétérogénéités du milieu sont faibles. Nous avons donc développé une nouvelle méthode de tracé de rais par perturbations, que nous avons adapté à l'inversion tomographique itérative. Cette méthode est testée aussi bien avec un ensemble de données synthétiques qu 'avec des données réelles. Les résultats obtenus montrent que la résolution spatiale d'un tomogramme ainsi reconstruit est considérablement améliorée, surtout lorsque l'on applique un lissage par filtre médian au cours du processus itératif. Nous discutons également quelques unes des limitations intrinsèques de la tomographie sismique entre puits.

Partie 1 : Etude sismotectonique du Péloponnèse. Durant l'été 1986 nous avons installé un réseau sismologique de 46 stations couvrant l'ensemble du Péloponèse. Sur plus de 1000 séismes, 750 sont localisés à 10 km près et 480 le sont à 5 km près, 100 solutions focales ont été déterminées. La sismicité enregistrée est essentiellement crustale (95%). La croûte inférieure apparait comme une zone sismique à l'ouest et devient sismique à l'est. Les mécanismes au foyer indiquent un champ de contrainte compressiif orienté E-W dans la bordure occidentale. Immédiatement à l'est de cette zone, le régime devient extensif, d'orientation N-S au nord puis NW-SE à E-W dans !e sud et le sud-.ouest du Péloponnèse. La, sismicité intermédiaire définit la géométrie de ia subduction de la plaque Afrique sous le Péloponnèse. Le plongement est orienté NE-SW scion un pendage de 10°, à 200 km des fosses ce pendage s'accentue brusquement (45 ° ). Les mécanismes au foyer montrent une tectonique extensive orientée NE-SW, avec un pendage identique à celui de la plaque plongeante. 2* partie: Réponse sismique d'une vallée sédimentaire. Durant deux semaines , en mai 1985, cinq stations sismologiques ont été installées à travers une vallée située à 50 km de Thessalonique ( Grèce) . Les stations étaient placées sur les sédiments et sur les bords rocheux de la vallée. A partir de séismes locaux et régionaux, nous avons calculé les rapports des spectres de Fourier obtenus aux différents sites. Pour les sites sédimentaires, les rapports montrent des .amplifications maximales de 8, pour un site rocheux elles atteignent 6. Les amplifications observées sont maximales lors de séismes locaux.Nous interprétons ces effets en fonction du contexte géologique local.

J’examine les relations entre propriétés des failles géologiques long-termes et propriétés des forts séismes que produisent ces failles. J’ai compilé les données sismologiques disponibles sur les grands séismes historiques mondiaux, et cartographié, sur images satellitaires, les failles long-termes rompues par ces séismes et les traces des ruptures. L’analyse combinée des données montre que : i) les failles long-termes ont certaines propriétés génériques (organisation des réseaux, segmentation latérale, forme de distribution du glissement cumulé, etc) ; ii) les forts séismes ont également des propriétés communes (similarité de distribution du glissement cosismique, du nombre de segments rompus, de la chute de contrainte sur chaque segment majeur rompu, de la distance relative entre hypocentre et zone de glissement maximum, etc) ; iii) la maturité structurale des failles est la propriété tectonique qui impacte le plus le comportement des forts séismes. Il est probable que cette maturité diminue la friction statique et la complexité géométrique du plan de faille. Elle agit sur la localisation de la zone d’initiation du séisme, sur la localisation et l’amplitude maximum du glissement cosismique, sur la direction de décroissance de ce glissement, sur la « capacité » de la rupture à se propager et donc sur sa vitesse de propagation. Elle dicte le nombre de segments majeurs qui peuvent être rompus, et par conséquent, elle contrôle la longueur totale et la chute de contrainte globale de la rupture. Pour comprendre la physique des forts séismes, il apparaît donc indispensable d’analyser conjointement les propriétés des failles rompues et les propriétés des séismes produits. / I examine the relations between the properties of long-term geological faults and the properties of the large earthquakes these faults produce. I have gathered available seismological information on large historical earthquakes worldwide and mapped in detail, on satellite images, both the long-term fault and the rupture traces. The combined analysis of the data shows that: i) long-term faults have a number of generic properties (arrangement of overall fault networks, lateral segmentation of fault traces, form of cumulative slip distribution, etc); ii) large earthquakes also have generic properties (similarity of envelope shape of coseismic slip-length profiles, of decrease in rupture width along rupture length, of number of broken segments, of stress drop on broken segments, of relative distance between hypocenter and zone of maximum slip, etc); iii) the structural maturity of the faults is the tectonic property most impacting the behavior of large earthquakes. The maturity likely acts in reducing both the static friction and the geometric complexity of the fault plane. It partly governs the location of the earthquake initiation, the location and amplitude of the maximum coseismic slip, the direction of the coseismic slip decrease, the rupture propagation efficiency and speed, the number of major fault segments that are broken, and hence the rupture length and its overall stress drop. To understand the physics of earthquakes, it thus seems necessary to analyze jointly the tectonic properties of the broken faults and the seismological properties of the earthquakes.

Le Japon s’est doté du réseau sismologique à haute sensibilité (Hi-net) qui contient plus de 1000 stations permanentes, qui fournissent d’immenses ensembles des données continues au Japon. Dans le cadre d’un accord avec le NIED, nous bénéficions d’enregis- trements de fond de données à court et à long periodes pour analyser les variations de vitesse sismiques, afin de suivre l’évolution mécanique de la croûte temporelle avec une résolution temporelle mensuelle à quotidienne dans les différentes bandes de périodes. Les résultats de courte période nous aident à mieux comprendre la sismologie environnemen- tale sur les processus souterrains sous les impacts de certains forçages environnementaux environnants tels que l’hydrologie, la thermoelasticité et certains effets de charge directe. Les résultats de longues périodes montrent des réponses co- et post-sismiques différentes avec la profondeur. Il s’agit d’une méthode supplémentaire et directe pour révéler en profondeur le champ de contrainte/déformation, ce qui améliore la perception du mécanisme d’un tremblement de terre. Cette thèse comprend principalement les trois parties suivantes.La première partie est consacrée à la présentation de la relation entre la fonction de Green et les corrélations croisées. La simulation numérique à Hokkaido vérifie également l’établissement de la relation entre les deux.La seconde partie concerne l’analyse des variations transitoires de la vitesse des ondes sismiques dans la croûte provoquées par les perturbations environnementales. Les impacts des perturbations saisonnières environnementales sur la déformation de la croûte sont généralement suivis et discutés en fonction des observations géodésiques. Récemment, la surveillance du bruit sismique ambiant fournit de nouvelles informations sur la déformation continue de la croûte, révélée par les changements de vitesse sismiques temporels. Dans cette étude, nous identifions les différents facteurs environnementaux responsables des effets saisonniers locaux et montrons comment une meilleure compréhension de ces perturbations de la croûte causée par l’environnement améliore les observations des modifications des propriétés sismiques induites par la tectonique.La dernière partie consiste à étudier la réponse mécanique de la croûte aux grands séismes. La surveillance de la vitesse sismique basée sur le bruit peut directement son- der en permanence l’état mécanique de la croûte en profondeur. Dans ce travail, nous étudions la réponse de la croûte terrestre au séisme de Tohoku-oki Mw 9.0, 2011. Nous employons ici pour la première fois le réseau très dense de Hi-Net tiltmètre en tant que sismomètres de longue période (8 - 50 s) pour que la surveillance basée sur le bruit échantillonne la croûte à plus de 5 km en profondeur. L’évolution spatio-temporelle des changements de vitesse sismiques dans différentes bandes de périodes révèle une réponse sismique dépendant de la profondeur, qui est la limite pour les données des sismomètres courte période. Le résultat pourrait avoir des implications à la fois sur la réponse viscoélastique de la croûte aux grands déformations ou sur une réponse complexe des vitesses sismiques de la croûte à un ècoulement de fluide transitoire.Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration plus générale entre ISTerre- Universit Grenoble Aples et le Massachusetts Institute of Technology visant à développer des outils de surveillance dans des contextes naturels et industriels. / The Japanese High Sensitivity Seismograph Network (Hi-net) contains more than 1000 permanent stations, which provide large continuous data sets throughout Japan. In the framework of an agreement with NIED, we benefit from both short period and tilt meters data downhole recordings to analyze the seismic velocity variations, thus to follow the mechanical evolution of the crust in different time scales with a temporal re- solution from monthly to daily in different period ranges. The short period results help us better understanding the environmental seismology on the subsurface processes under the impacts of some surrounding environmental forcing such as hydrology, thermoelas- ticity, and some direct loading effects. The results from long periods show different co- and postseismic responses with depth. This is a supplementary and direct method to disclose the stress/strain field at depth improving the perception of the mechanism of an earthquake. This thesis mainly consists of the following three parts.The first part is devoted to the theoretical demonstration of the relationship between the Green’s function and cross-correlations. The numerical simulation in Hokkaido also verifies the establishment of the in-between connection.The second part is about the analysis of the transient changes of seismic wave velo- city in the crust caused by environmental perturbations. The impacts of environmental seasonal disturbances to crustal deformation are usually tracked and discussed based on geodetic observations. Recently, ambient seismic noise-based monitoring provides new insights into the continuous deformation in the crust as revealed by the temporal seismic velocity changes. In this study, we identify the different environmental factors in charge of the local seasonal effects and show how better understanding these environmentally induced crustal perturbations improves the observations of tectonic-induced seismic pro- perty changes.The last part is to study the mechanical response of the crust to large earthquakes.Noise-based seismic velocity monitoring can directly probe the mechanical state of the crust at depth continuously in time. In this work, we study the response of the crust to the Mw 9.0, 2011 Tohoku-oki earthquake. we employ here for the first time the very dense network of Hi-net tilt meters as long period (8 – 50 s) seismometers for the noise-based monitoring to sample the crust below 5 km depth. Spatio-temporal evolution of seismic velocity changes in different period bands reveals depth-dependent seismic response. The result could have implications of both nonelastic response of the crust to large strain changes or a complex response of crustal seismic velocities to transient fluid flow.This thesis is in the context of a more general collaboration between ISTerre- Universit Grenoble Aples, and the Massachusetts Institute of Technology aiming at developing tools for monitoring in natural and industrial contexts.

Selon l’Eurocode 8 et la norme EN 1337-3, le comportement de l’Appareil d'Appui en Néoprène Fretté (AANF) est considéré comme élastique linéaire ou hystérétique linéaire. En réalité, les comportements mécaniques de l’AANF sont très complexes et sont essentiellement ceux du néoprène tels que l’élasticité non linéaire, la viscosité, la plasticité, l’effet Payne, l’effet Mullins, etc. Toutefois, très peu d’études de l’effet Mullins et de la piezo-dépendance existent, et aucun modèle par éléments finis ne permet de modéliser ces phénomènes dans l’AANF. L’objectif de cette thèse est donc l’étude de ces phénomènes sur le néoprène et sur l’AANF. Pour atteindre ces objectifs, la caractérisation de ces phénomènes sur le néoprène est tout d’abord réalisée avec différents types de chargements tels que la relaxation, la traction cyclique, la compression cyclique, le couplage compression statique – cisaillement cyclique. De plus, un dispositif biaxial original est fabriqué afin de caractériser l’AANF sous le chargement de compression statique couplé au cisaillement cyclique. Grâce à ces résultats expérimentaux, un nouveau modèle est développé, permettant de modéliser simultanément l’effet Mullins, la piezo-dépendance ainsi que la viscoélasticité non linéaire du néoprène. / High Damping Rubber Bearings (HDRB) composed of alternating thin horizontal layers of elastomer bonded to steel plates are used to support permanent static loading in compression and cyclic shear in case of earthquakes. The behaviour of HDRB is considered to be linear elastic or linear hysteretic according to The European Standard Eurocode 8 and The Standard EN 1337 - 3. The mechanical behaviour of HDRB under loading is actually very complex and essentially linked to the behaviour of elastomer such as nonlinear elasticity, viscosity, plasticity, Payne effect, and Mullins effect. However, the coupling of Mullins effect and nonlinear viscosity as well as influence of hydrostatic stress on viscoelasticity of elastomer or of HDRB has not been studied yet. The aim of this thesis is thus the study of these effects on elastomer and on HDRB. In order to reach these objectives, characterization of these effects on elastomer is firstly performed with different types of loading such as relaxation test, cyclic tensile test, cyclic compression test and combined static compression – cyclic shear test. Furthermore, an original biaxial device is designed and manufactured in order to characterize the behaviour of HDRB under combined static compression – cyclic shear. Based on these experiments a new finite model is developped to simulate simultaneously Mullins effect, nonlinear viscosity and influence of hydrostatic stress on viscoelasticity of elastomer. Subsequently, this model is used to simulate the response of the HDRB under combined static compression - cyclic shear.