La rivière Marque est un petit cours d’eau localisé sur un bassin versant péri-urbain du Nord de la France, traversant des zones agricoles et urbaines. Au niveau de Villeneuve d’Ascq, cette rivière reçoit les eaux de deux principaux ouvrages de traitement de l’eau : (i) les eaux urbaines traitées de la station d’épuration de Villeneuve d’Ascq ; et (ii) les eaux du lac du Héron qui est un bassin d’orage. Afin d’améliorer la compréhension de la rivière dans cette zone, des suivis basse et haute fréquences ont été mis en place en 2014. En complément, une bouée instrumentée appartenant à l’Agence de l’Eau Artois-Picardie a été déployée en 2015 sur le lac. Une approche multi-traceurs a été envisagée pour tenter d’identifier les différentes pressions sur La Marque avec l’étude des paramètres physico-chimiques (O2, pH, conductivité, MES, COD), des nutriments (NO3-, NH4+, PO43-), des micropolluants métalliques (Cu, Pb, Zn) et organiques (CAF, CBZ) et des conditions physiques (débit, pluviométrie). Les points clés mis en évidence sont les suivants : (1) La Marque est fortement impactée par le rejet d’eaux usées non traitées dû à des défaillances dans les réseaux d’assainissement ; (2) la station d’épuration contribue significativement à enrichir La Marque en CBZ et en Zn, ce qui participe vis-à-vis de ce dernier à la dégradation de l’état écologique ; (3) la capacité de traitement par décantation et processus biogéochimiques naturels du lac du Héron est efficace, cependant il est nécessaire d’entreprendre un curage du chenal d’entrée ; et (4) le rejet du lac participe à améliorer ponctuellement mais faiblement la qualité de la rivière, excepté lors d’évènements particuliers. / The Marque River is a little watercourse located in a peri-urban watershed in Northern France, going through agricultural and urban areas. Nearby Villeneuve d’Ascq, this river receives waters from two main water treatment plants: (i) the waste water treatment plant of Villeneuve d’Ascq; and (ii) the waters from a stormwater basin, the Heron lake. In order to improve the understanding of the functioning of the river in this area, low and high frequencies monitoring have been undertaken in 2014. In addition, an instrumented buoy belonging to the French Water Agency Artois-Picardie was implemented in 2015 on the lake. A multi-tracers approach was considered in order to identify different pressures on The Marque River including physicochemical parameters (O2, pH, conductivity, SPM, DOC), nutrients (NO3-, NH4+, PO43-), trace metals (Cu, Pb, Zn), organic micro-pollutants (CAF, CBZ) and hydrodynamic conditions (water flow, rainfall). The key points that have been highlighted are as follows: (i) The Marque River is strongly impacted by the discharge of wastewaters, due to sanitation network failures; (ii) the waste water treatment plant contributes significantly to the enrichment of The Marque River in CBZ and Zn, the latter participating to the degradation of the ecological status; (iii) the treatment capacity by naturals settling and biogeochemical processes is efficient within the Heron lake. However, the dredging of the entrance channel must be undertaken; and (iv) the discharge from the lake to the river tends to ameliorate scarcely and punctually the water quality of the river, excepted during special events.

The snow cover (extent, depth and water equivalent) is an important factor in assessing the water balance of a territory. In a context of deregulation of electricity, better knowledge of the quantity of water resulting from snowmelt that will be available for hydroelectric power generation has become a major challenge for the managers of Hydro-Québec's generating plant. In fact, the snow on the ground represents nearly one third of Hydro-Québec's annual energy reserve and the proportion is even higher for northern watersheds. Snowcover knowledge would therefore help optimize the management of energy stocks.The issue is especially important when one considers that better management of water resources can lead to substantial economic benefits.The Research Institute of Hydro-Quebec (IREQ), our research partner, is currently attempting to optimize the streamflow forecasts made by its hydrological models by improving the quality of the inputs. These include a parameter known as the snow water equivalent (SWE) which characterizes the properties of the snow cover. At the present time, SWE data is obtained from in situ measurements, which are both sporadic and scattered and does not allow the temporal and spatial variability of SWE to be characterized adequately for the needs of hydrological models. This research project proposes to provide the Québec utility's hydrological models with distributed SWE information about its northern watersheds.The targeted accuracy is 15% for the proposed period of analysis covering the winter months of January, February and March of 2001 to 2006.The methodology is based on the HUT snow emission model and uses the passive microwave remote sensing data acquired by the SSM/I sensor. Monitoring of the temporal and spatial variations in SWE is done by inversion of the model and benefits from the assimilation of in situ data to characterize the state of snow cover during the season. Experimental results show that the assimilation technique of in situ data (density and depth) can reproduce the temporal variations in SWE with a RMSE error of 15.9% (R[subscript 2] =0.76).The analysis of land cover within the SSMI pixels can reduce this error to 14.6% (R[subscript 2] =0.66) for SWE values below 300 mm. Moreover, the results show that the fluctuations of SWE values are driven by changes in snow depths. Indeed, the use of a constant value for the density of snow is feasible and makes it possible to get as good if not better results. These results will allow IREQ to assess the suitability of using snow cover information provided by the remote sensing data in its forecasting models. This improvement in SWE characterization will meet the needs of IREQ for its work on optimization of the quality of hydrological simulations.The originality and relevance of this work are based primarily on the type of method used to quantify SWE and the site where it is applied.The proposed method focuses on the inversion of the HUT model from passive remote sensing data and assimilates in situ data. Moreover, this approach allows high SWE values (> 300 mm) to be quantified, which was impossible with previous methods. These high SWE values are encountered in areas with large amounts of snow such as northern Québec.

La thèse se concentre sur le suivi temporel des vitesses sismiques, notamment dans des zones de faille actives. En corrélant les signaux générés par le bruit ambiant, il est possible d'estimer la fonction de Green du milieu. Par le suivi continu de ces fonctions, des changements de vitesse dans le milieu peuvent être détectés. Les méthodes de suivi temporel sont appliquées aux données provenant d'une zone de faille active à Parkfield, Californie, ce qui permet de détecter deux chutes de vitesse. Ces dernières coïncident avec des évènements sismiques régionaux, la plus importante concernant un évènement proche des stations. Les deux chutes de vitesse sont suivies d'une récupération postsismique progressive. Pour mieux comprendre la fiabilité des mesures on a effectué des expériences en laboratoire. Un résultat intéressant de ces expériences montre que la reconstruction exacte de la fonction de Green n'est pas nécessaire pour le suivi temporel, ce qui ouvre la voie à de nombreuses possibilités d'applications en sismologie. Grâce à cette connaissance, la série de données de Parkfield a été ré-analysée. En améliorant la résolution temporelle à 1 journée, on montre que la chute de vitesse observée est cosismique avec le séisme de Parkfield. On a établi que les fluctuations de vitesse ne sont pas simplement corrélées aux variations de la distribution de sources du bruit obtenue par formation de voies. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à un séisme au Japon. Le réseau étant de taille beaucoup plus grande que celui utilisé pour l'étude de Parkfield, ces données sont analysées pour étudier la dépendance entre la distance stations-séisme et la chute de vitesse mesurée.

La thèse se concentre sur le suivi temporel des vitesses sismiques, notamment dans des zones de faille actives. En corrélant les signaux générés par le bruit ambiant, il est possible d'estimer la fonction de Green du milieu. Par le suivi continu de ces fonctions, des changements de vitesse dans le milieu peuvent être détectés. Les méthodes de suivi temporel sont appliquées aux données provenant d'une zone de faille active à Parkfield, Californie, ce qui permet de détecter deux chutes de vitesse. Ces dernières coïncident avec des évènements sismiques régionaux, la plus importante concernant un évènement proche des stations. Les deux chutes de vitesse sont suivies d'une récupération postsismique progressive. Pour mieux comprendre la fiabilité des mesures on a effectué des expériences en laboratoire. Un résultat intéressant de ces expériences montre que la reconstruction exacte de la fonction de Green n'est pas nécessaire pour le suivi temporel, ce qui ouvre la voie à de nombreuses possibilités d'applications en sismologie. Grâce à cette connaissance, la série de données de Parkfield a été ré-analysée. En améliorant la résolution temporelle à 1 journée, on montre que la chute de vitesse observée est cosismique avec le séisme de Parkfield. On a établi que les fluctuations de vitesse ne sont pas simplement corrélées aux variations de la distribution de sources du bruit obtenue par formation de voies. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à un séisme au Japon. Le réseau étant de taille beaucoup plus grande que celui utilisé pour l'étude de Parkfield, ces données sont analysées pour étudier la dépendance entre la distance stations-séisme et la chute de vitesse mesurée. / The thesis concentrates on monitoring seismic speeds, especially in active fault zones. By correlating signals generated by background noise, one can estimate the Green's function of a medium. When continuously following these functions, wave speed changes in the medium can be detected. Monitoring methods are applied to data from an active fault zone in Parkfield, California, where two wave speed drops, which coincide with regional seismic events, are detected. The largest corresponds to an event close to the stations. Both speed drops are followed by a gradual postseismic relaxation. In order to understand the reliability of the measurements, we perform laboratory experiments. One interesting result of these experiments shows that an exact reconstruction of the Green's function is not necessary for monitoring, which opens up many possibilities of applications to seismology. Armed with this knowledge, the Parkfield data is analysed again. By improving the temporal resolution to 1 day, we show that the observed speed drop is coseismic with the Parkfield event. We establish that the speed fluctuations are not simply correlated to variations in noise source distribution obtained by beamforming. Finally, the developed methods are applied to an event in Japan. Since the array is spatially much larger than the one used at Parkfield, this data is analyzed to study the dependence between station-event distance and the measured seismic speed drop. STAR

Le milieu karstique, et tout particulièrement sa partie superficielle, est caractérisé par une altération importante responsable sur le site de Lascaux de formations calcaires en plaquettes mais aussi de dissolutions importantes pouvant laisser place à des sables, argiles, etc. La présence de grottes ornées dans ce milieu nécessite la caractérisation du milieu environnant afin de protéger les grottes et contribuer à la conservation des œuvres pariétales. Cette thèse porte sur la caractérisation du milieu karstique à plusieurs échelles au moyen de deux méthodes : la géophysique avec la Tomographie de Résistivité Electrique (TRE), et la caractérisation pétrophysique, à l’échelle du laboratoire, avec la microscopie, la porosimétrie au mercure et des mesures électriques sur échantillons. A l’échelle du massif, nous avons caractérisé l’amont hydraulique de la grotte de Lascaux par un suivi temporel par TRE durant 6 ans et par trois modélisations géostatistique 3D, à trois dates. Le suivi temporel a permis de comprendre le fonctionnement hydrogéologique du site. Le couplage du suivi temporel avec le 3D complété par les mesures sur échantillons a en outre permis de comprendre le fonctionnement d’un drain situé dans l’épikarst susceptible d’alimenter l’émergence à l’entrée de la grotte de Lascaux. La modélisation 3D a aussi permis d’identifier un escarpement du promontoire calcaire au nord-est de la grotte de Lascaux qui laisse place à des formations argilo-sableuse. A l’échelle de la paroi et en lien avec des recherches menées sur la grotte Chauvet-Pont d’Arc, un dispositif original de micro-TRE a été mis en place à la paroi dans une carrière souterraine, permettant une mesure de TRE à une échelle submétrique et une résolution centimétrique. A cette résolution apparaît un effet d’électrode que nous corrigeons lors de l’inversion des données de TRE par l’utilisation d’une Electrode Equivalente Ponctuelle (EEP) placée à une profondeur caractéristique. La paroi étudiée a été soumise à des feux. On montre par un suivi TRE sur plusieurs mois et des analyses pétrophysiques complémentaires que les feux impactent de façon tangible les premiers centimètres de la paroi dont la porosité et la connectivité sont modifiées. On montre en outre que des variations saisonnières de saturation sont mises en évidence à cette petite échelle. Ce dispositif pourrait être appliqué au site de Lascaux pour, à terme, mesurer et prédire les arrivées d’eau à la paroi, en lien ou pas avec la circulation modélisée à l’échelle du massif. Une telle démarche pourrait devenir un outil de conservation de parois rocheuses support d’œuvres pariétales. / The karst environment and especially its superficial part is typified by an important alteration. At the Lascaux site, alteration is responsible for plate limestone and also detrital clayey-sands soils due to dissolution of limestones. The presence of painted caves in this altered environment raises the need to characterize the karst environment in order to protect the caves and contribute to mural paintings conservation. The aim of this PhD thesis is to characterize the karst environment at different scales using two main methods: (1) geophysics and in particular Electrical Resistivity Tomography (ERT) and (2), petrophysics at the Lab scale, including microscopy, mercury porosimetry and electrical measurements. At the field scale, we characterized the calcareous surroundings of the Lascaux cave relying on a 6 years-long time-lapse monitoring by ERT complemented by geostatistical 3D reconstructions of the resistivity values. The time-lapse monitoring permitted a better understanding of the hydrogeology of the site. Combining ERT time-lapse monitoring, 3D models of the resistivity distribution and additional measurements on samples allowed to identify a drain within the epikarst, which is most likely responsible for the emergence of water at the Lascaux cave entrance. The 3D modelling of the resistivity values also allowed to identify a scarp of unaltered limestones, northeast of the Lascaux cave, leaving room for clayey-sand detrital formations. In relation to a current research program on the Chauvet-Pont d’Arc cave, an original micro-ERT acquisition layout was fitted on the wall of an underground quarry, allowing measurements at a sub-metric scale with a centimetric resolution. At such a fine resolution, an unwanted electrode effect appeared. We remedied this electrode effect by inverting ERT data with an Equivalent Electrode Point (EEP) buried in the ground at a characteristic depth. The quarry wall was subjected to fires. Relying on a micro-ERT time-lapse monitoring during few months complemented by petrophysical analyses, we showed that the fires impacted the first centimeters of the quarry wall whose porosity and connectivity were modified. We also showed that seasonal water saturation variations could be detected at such a small scale. Thus, this small scale acquisition layout may ultimately be used at Lascaux to measure and predict water intakes directly at the cave walls in relation, or not, with the water flow modelled at the field scale. Such an approach may become a new tool for the conservation of painted cave walls.

Les données billettiques sont de plus en plus utilisées pour l'analyse de la mobilité dans les transports en commun. Leur richesse spatiale et temporelle ainsi que leur volume, en font un bon matériel pour une meilleure compréhension des habitudes des usagers, pour prédire les flux de passagers ou bien encore pour extraire des informations sur les événements atypiques (ou anomalies), correspondant par exemple à un accroissement ou à une baisse inhabituelle du nombre de validations enregistrées sur le réseau.Après une présentation des travaux ayant été menés sur les données billettiques, cette thèse s'est attachée à développer de nouveaux outils de traitement de ces données. Nous nous sommes particulièrement intéressés à deux challenges nous semblant non encore totalement résolus dans la littérature : l'aide à la mise en qualité des données et la modélisation et le suivi des habitudes temporelles des usagers.Un des principaux challenges de la mise en qualité des données consiste en la construction d'une méthodologie robuste qui soit capable de détecter des plages de données potentiellement problématique correspondant à des situations atypiques et ce quel que soit le contexte (jour de la semaine, vacances, jours fériés, ...). Pour cela une méthodologie en deux étapes a été déployée, à savoir le clustering pour la détermination du contexte et la détection d'anomalies. L'évaluation de la méthodologie proposée a été entreprise sur un jeu de données réelles collectées sur le réseau de transport en commun rennais. En croisant les résultats obtenus avec les événements sociaux et culturels de la ville, l'approche a permis d'évaluer l'impact de ces événements sur la demande en transport, en termes de sévérité et d'influence spatiale sur les stations voisines.Le deuxième volet de la thèse concerne la modélisation et le suivi de l'activité temporelle des usagers. Un modèle de mélange de gaussiennes a été développé pour partitionner les usagers dans les clusters en fonction des heures auxquelles ils utilisent les transports en commun. L'originalité de la méthodologie proposée réside dans l'obtention de profils temporels continus pour décrire finement les routines temporelles de chaque groupe d'usager. Les appartenance aux clusters ont également été croisées avec les données disponibles sur les usagers (type de carte) en vue d'obtenir une description plus précise de chaque cluster. L'évolution de l'appartenance aux clusters au cours des années a également été analysée afin d'évaluer la stabilité de l'utilisation des transports d'une année sur l'autre. / Ticketing logs are being increasingly used to analyse mobility in public transport. The spatial and temporal richness as well as the volume of these data make them useful for understanding passenger habits and predicting origin-destination flows. Information on the operations carried out on the transportation network can also be extracted in order to detect atypical events (or anomalies), such as an unusual increase or decrease in the number of validations.This thesis focuses on developing new tools to process ticketing log data. We are particularly interested in two challenges that seem to be not yet fully resolved in the literature: help with data quality as well as the modeling and monitoring of passengers' temporal habits.One of the main challenges in data quality is the construction of a robust methodology capable of detecting atypical situations in any context (day of the week, holidays, public holidays, etc.). To this end, two steps were deployed, namely clustering for context estimation and detection of anomalies. The evaluation of the proposed methodology is conducted on a real dataset collected on the Rennes public transport network. By cross-comparing the obtained results with the social and cultural events of the city, it is possible to assess the impact of these events on transport demand, in terms, of severity and spatial influence on neighboring stations.The second part of the thesis focuses on the modeling and the tracking of the temporal activity of passengers. A Gaussian mixture model is proposed to partition passengers into clusters according to the hours they use public transport. The originality of the methodology compared to existing approaches lies in obtaining continuous time profiles in order to finely describe the time routines of each passenger cluster. Cluster memberships are also cross-referenced with passenger data (card type) to obtain a more accurate description of each cluster. The cluster membership over the years has also been analyzed in order to study how the use of transport evolves

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.

Les processus gravitaires dans l’évolution de la morphologie des reliefs se produisent à de nombreuses échelles de temps et d’espace. Leur compréhension, fondamentale pour envisager la gestion des risques associés à ces phénomènes destructeurs, est subtile et complexe. En effet, les caractéristiques intrinsèques aux versants étudiés sont spécifiques et les facteurs externes agissant sur la dynamique de la déstabilisation présentent des temporalités et des intensités très variées. Afin de comprendre comment ces forçages influencent le comportement des instabilités de versant, une approche systémique a été adoptée dans ce travail pour mettre en perspective l’ensemble des processus en jeu dans l’évolution temporelle de leurs comportements. A travers deux cas d’étude situés dans les Alpes Maritimes (La Clapière à Saint-Etienne-de-Tinée et le Prat de Julian à Vence), véritables observatoires naturels disposant de plusieurs années de suivi multi-paramètres, la faculté de l’observation instrumentale à déterminer des paramètres comportementaux clés contrôlant l’évolution dynamique des versants instables a été explicitée. Des analyses multivariées intégrant l’état de surface (déplacements, déformations, perturbations) et interne (niveau piézométrique, résistivité électrique de la subsurface) ont permis de quantifier les liens entre l’état comportemental du versant étudié et les contributions météorologiques. Ce travail met finalement en avant l’importance des études observationnelles multi-paramètres dans l’élaboration des modèles descriptifs et prédictifs, ainsi que les systèmes d’alerte associés à ces risques majeurs. / Gravity processes occur at many scales of time and space in the evolution of landforms’ morphology. Their understanding is subtle and complex and it is fundamental to consider the management of the risks associated with these destructive phenomena. Indeed, the intrinsic characteristics of the studied slopes are specific and the external factors acting on the dynamics of the destabilization present a wide range of temporalities and intensities. In order to understand how these forcings influence the behavior of slope instabilities, a systemic approach has been adopted in this work to put into perspective all the processes involved in the temporal evolution of their behaviors. Through two study cases located in the Alpes Maritimes (La Clapière at Saint-Etienne-de-Tinée and the Prat de Julian at Vence, France), real natural observatories with several years of multi-parameter monitoring, we were able to clarify the ability of instrumental observation to determine key behavioral parameters controlling the dynamic evolution of unstable slopes. Multivariate analyzes integrating the surface (displacements, deformations, disturbances) and internal state (groundwater level, electrical resistivity of the subsurface) allowed to quantify the links between the behavioral state of the studied slope and the meteorological contributions. This work finally highlights the importance of multi-parameter observational studies in the development of descriptive and predictive models, as well as the alert systems associated with these major risks.

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.

Cette thèse propose une nouvelle approche pour surveiller automatiquementles variations des fréquences et des taux d’amortissement des batiments de grande hauteursoumis à des vibrations ambiantes. L’approche vise à relever simultanément avec les défissuivants: signaux multi-composants enregistrées sur les bâtiments mentionnés ci-dessusavec des réponses impulsionnelles ayant des modes de fréquences rapprochées, des amplitudesfaibles, exponentielles et amorties noyées dans des bruits additifs élevés. La méthoderepose sur l’application de la technique de décrément aléatoire directement sur le signal multicomposantece qui conduit à l’estimation d’une signature de décrément aléatoire multi-modeéquivalente à la réponse impulsionnelle de système. Pour caractériser une telle signature,nous proposons un modèle de signal basé sur la structure physique du bâtiment à partir delaquelle les paramètres modaux peuvent être estimés. Dans le but d’avoir une estimationnon biaisée, nous proposons d’utiliser une méthode itérative sur la base d’une estimation dumaximum de vraisemblance optimisé par une technique de recuit simulé. Afin d’initialiserles paramètres de ce dernier, une première étape est conçu qui peut être considéré commeun estimateur indépendant des paramètres modaux. L’originalité de cette étape réside danssa capacité à définir automatiquement le nombre de modes de la signature estimé grâce àl’utilisation des propriétés statistiques d’un spectre estimé par une transformée de Fourier.Les paramètres modaux estimés par l’étape d’initialisation sont finalement affinés par l’étaped’estimation du maximum de vraisemblance. Celui-ci réduit le biais de l’estimation et donnedes résultats plus fiables et plus robustes. Toutes ces étapes sont définies de manière à être enmesure de surveiller automatiquement l’état de santé d’un bâtiment par l’intermédiaire d’unsuivi long terme en temps réel des variations modales dans le temps sans que l’interventionde l’utilisateur soit nécessaire. En outre, l’approche proposée a accordé une attention touteparticulière à l’estimation automatique du paramètre modal les plus problématique, c’està-dire, le taux d’amortissement. Ces deux caractéristiques sont des atouts originaux parrapport aux techniques existantes. L’adaptabilité et la fonctionnalité de l’AMBA a été validésur six bâtiments réels excités par des vibrations ambiantes. D’après les résultats obtenus,AMBA a prouvé une grande efficacité dans l’estimation automatique des fréquences et destaux d’amortissement dans le cas de modes de fréquences rapprochées et avec un très faiblerapport signal-sur-bruit. AMBA a ainsi démontré une bonne performance pour suivre lesvariations modales au fil du temps. / This thesis proposes a novel approach to automatically monitor the variationsof the frequencies and the damping ratios of actual high-rise buildings subjected to realworldambient vibrations. The approach aims at dealing simultaneously with the followingchallenges: multi-component signals recorded over the aforementioned buildings and havingclosely-spaced frequency modes with low, exponential and damped amplitudes of theirimpulse responses and contaminated with high additive noises. The approach relies on theapplication of the Random Decrement Technique directly over the multi-component signalunder study which leads to the extraction of a Multi-mode Random Decrement Signatureequivalent to the system impulse response. To characterize such a signature, we propose asignal model based on the physical structure of the building from where the modal parameterscan be estimated. For the purpose of non-biased modal estimate, we propose to usean iterative method based on a Maximum-Likelihood Estimation optimized by a simulatedannealing technique. In order to initialize the parameters of the latter, a first step is designedwhich can be considered as an independent estimator of the modal parameters. Theoriginality of this step lies in its ability to automatically define the number of modes of theestimated signature through the use of the statistical properties of a Welch spectrum. Themodal parameters estimated by the spectral-based initialization step are finally refined bythe Maximum-Likelihood Estimation step. The latter reduces the bias in the estimation andyields more reliable and robust results. All these steps are defined in order to be able to automaticallymonitor the health of a building via a long-term real-time tracking of the modalvariations over time without the need to any user intervention . In addition, the proposedapproach has paid very special attention to the automatic estimation of the most problematicmodal parameter, i.e., the damping ratio. Such features making two of the original featuresas compared to existing techniques. The adaptability and functionality of AMBA is validatedover six actual buildings excited by real-world ambient vibrations. From the obtained results,AMBA proved high efficiency in automatically estimating the frequencies and moreover thedamping ratios in case of closely-spaced frequency modes and very low signal-to-noise ratiolevel. AMBA as well demonstrated a good performance for tracking the modal variationsover time.