Dans cette thèse, un algorithme d'inversion de formes d'ondes (FWI) est développé pour l'imagerie 3D des paramètres élastiques de la lithosphère à partir des enregistrements télésismiques dans le but d'accroître la résolution des images lithosphériques. La modélisation sismique est effectuée par un méthode hybride d'injection de champ d'ondes. Une première modélisation est effectuée dans une Terre globale avec le logiciel AxiSEM pour déterminer les champs d’ondes aux bords de la cible lithosphérique. Ces solutions sont ensuite propagées dans cette cible par une méthode aux éléments finis spectraux. Le problème inverse est résolu avec un algorithme d’optimisation locale de type quasi-Newton (l-BFGS). La sensibilité de la méthode à la configuration expérimentale (paramétrisation du milieu, modèle initial, géométrie et échantillonnage du dispositif de capteurs) est tout d’abord analysée avec un modèle synthétique réaliste des Alpes Occidentales. L’algorithme est finalement appliqué à neuf événements de la campagne CIFALPS dans les Alpes occidentales jusqu’à une fréquence de 0.2Hz. Les modèles de vitesses P et S et de densité révèlent les grandes structures lithosphériques de la chaîne alpine, en particulier le corps d’Ivrée et la géométrie des Moho européen et adriatique. Plus profondément, deux anomalies de vitesses lentes sont imagées dans le manteau et sont interprétées comme la signature d’une remontée asthénosphérique et la localisation du détachement du panneau plongeant européen. Ces résultats corroborent l’hypothèse d’une subduction continentale de la croûte européenne et d’une éventuelle déchirure du panneau plongeant européen lors de la phase de collision. / In this thesis, a full-waveform inversion (FWI) algorithm is developed with the aim to image the elastic properties (Vp, Vs and density) of 3D lithospheric models from teleseismic recordings with a spatial resolution of the order of the wavelength. Seismic modeling is performed with a wavefield injection hybrid approach. A first simulation is performed in a global radially symmetric Earth with the AxiSEM code to compute the wavefields on the borders of the lithospheric target. Then, these wavefields are propagated in the target with the spectral finite-element method. After linearization, the inverse problem is solved with a quasi-Newton (1-BFGS) optimization algorithm. The sensitivity of the teleseismic FWI to the experimental setup (subsurface parameterization, initial model, sampling and geometry of the station layout) is first assessed with a realistic synthetic model of the Western Alps. The method is finally applied to nine events of the CIFALPS experiment carried out in the Western Alps, up to a frequency of 0.2Hz. Reliable models of P and S wave speeds and density reveal with an unprecedented resolution the crustal and lithospheric structures of the Alpine Belt, in particular the geometry of the Ivrea body, and the European and Adriatic Mohos. Deeper, two slow velocity anomalies beneath the Western Alps are imaged in the mantle. The first, to the west of the chain, is interpreted as the signature of an asthenospheric upwelling, the second near the location of the Ivrea body indicates the European slab break-off. The study supports the hypothesis of the European continental crust subduction and confirms the possible tearing of the European slab.

Le terme de « marge » est utilisé pour définir la bordure de la croûte continentale. En domaine extensif la déchirure de la lithosphère continentale (ou rifting) conduit à terme à la formation de deux marges dites passives, séparées par de la croûte océanique. Ces marges sont très représentées puisqu'elles bordent la grande majorité des masses continentales entourant les océans actuels : Atlantique, Indien, Antarctique, et Arctique. De plus, elles représentent le stade ultime d'évolution d'une zone de rift : elles conservent donc l'histoire des déformations subies par la lithosphère étirée. Par conséquent, l'étude de leur structure et de leur formation est essentielle pour améliorer les conceptions actuelles de l'extension lithosphérique. En effet, malgré l'abondance des données disponibles le long des marges passives et la complexification croissante des modèles, certaines questions concernant le comportement de la lithosphère en extension, notamment la nature et l'origine des mouvements verticaux de la marge au cours du rifting demeurent sans réponse précise. La partie orientale du golfe d'Aden représente un laboratoire idéal pour aborder l'étude des marges passives. Cette marge jeune (rifting oligo-miocène) et non-volcanique est exempte d'évaporites et c'est un des rares bassins où il est possible de suivre de manière continue l'évolution d'une marge depuis sa partie proximale jusqu'à la dorsale océanique. Par ailleurs, la partie proximale de la marge présente la particularité d'affleurer à terre ce qui a rendu possible une étude sédimentologique de terrain ainsi que le déploiement d'un réseau temporaire de stations sismologiques en 2003. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié les mouvements verticaux de la marge Nord du golfe d'Aden (Dhofar) par le biais de deux approches complémentaires. L'étude sédimentologique de terrain a permis d'établir un historique complet des différents mouvements verticaux associés au rifting. Elle révèle une phase de surrection burdigalienne à langhienne (~ 1 Ma) contemporaine de l'océanisation et/ou de la mise en place de la TOC (Transition Ocean Continent) dont l'amplitude est estimée à 700 m au minimum. Un second épisode de soulèvement, d'amplitude beaucoup plus faible (de l'ordre de la centaine de mètres), débute au Pliocène et se poursuit actuellement. La détermination de la structure très profonde de la marge (lithosphérique à asthénosphérique) a été effectuée par le biais d'une étude de tomographie télésismique. Le déploiement de 11 stations sismologiques large bande de mars 2003 à mars 2004 a permis d'enregistrer 284 téléséismes. L'étude tomographique révèle l'existence de deux anomalies principales sous la marge dhofari : (1) Une anomalie lente crustale, limitée aux premiers 20 km, liée aux épais dépôts sédimentaires de la Plaine de Salalah ; (2) Une anomalie lente asthénosphérique, située entre 170 et 200 km de profondeur environ. En nous appuyant sur le modèle de Goes et al. (2000), nous avons montré que le ralentissement des rais dans cette zone pourrait être rattaché à des phénomènes de fusion partielle. Cette zone de matériel plus léger pourrait être la cause du soulèvement observé dans les séries sédimentaires. Cependant, l'imagerie sismique ne nous permet pas d'évaluer l'âge de la mise en place de ce matériel mantellique anormal sous la marge Nord du Dhofar. L'élargissement de notre zone d'étude ainsi que des analyses géologiques et géophysiques complémentaires sont indispensables pour pouvoir totalement corréler ou non ces deux observations.

Première Partie: Etude sismotectonique d'un graben complexe, exemple: le graben Mygdonien (Grèce du Nord). Durant les printemps de 1984 et 1985 nous avons installé un réseau sismologique de 29 stations portables dans la région du graben Mydgonien près de Thessaloniki. La sismicité et les mécanismes au foyer ont montré une structure complexe. Des phénomènes compressifs ont été observés au centre du graben. Nous proposons un modèle pour la formation et l'évolution du graben. Au départ la déformation a lieu le long des failles pré-existantes de direction NW-SE ou NNE-SSW avec des mouvements normaux ou décrochants. Dans une deuxième étape il y a formation d'une nouvelle famille de failles normales, dirigées E-W. Cette famille a une direction perpendiculaire à l'axe T moyen, trouvé par les mécanismes au foyer et vient se superposer aux failles initiales. Elle devient rapidement la famille principale et les failles initiales jouent un rôle d'ajusteur de déformation dans cet ensemble. En outre les anciennes failles fonctionnent comme des barrières à l'évo lution des failles dirigées E-W. Deuxième partie: Etudes tridimensionnelle de la croûte et du manteau supérieur à partir de l'inversion des ondes P des téléséismes. A partir des résidus relatifs de temps de parcours des ondes P des téléséismes, enregistrés par le réseau permanent du laboratoire de Géophysique de Thessaloniki, nous avons tenté une inversion tridimensionnelle selon la méthode de Aki, Christofferson et Husebye. Nous avons obtenu des modèles de vitesse en 3D pour les ondes P sous la Grèce du nord, jusqu'à une profondeur de 250 km. Nous avons essayé d'expliquer les variations latérales des vitesses observées, à l'aide de l'isostasie, du flux de chaleur et de la sismicité.

Une formulation détaillée de la méthode de représentation des champs d'ondes sismiques, est donnée dans les cas P, SV, et SH, pour des milieux 2D dont la stratification est formée de couches latéralement irrégulières. Cette représentation est basée sur l'échantillonnage de l'espace des nombres d'onde et sur la résolution des conditions aux limites des champs de contraintes et de déplacements aux différentes interfaces. Cette méthode est appliquée au calcul des mouvements du sol à des distances de quelques kilomètres de la source et, à l' aide du théorème de réciprocité, à la simulation de ces mouvements pour des distances télésismiques. L'influence des différentes structures géologiques (e .g. topographies irrégulières, bassins sédimentaires) est mise en évidence sur les amplifications ct les atténuations des déplacements du sol. Les effets produits sur les champs de déplacements sont analysés en fonction de la position de la source par rapport aux irrégularités du milieu de propagation. Les variations de ces effcets sont également étudiées lorsque l'on change la forme des hétérogénéités. Sont étudiés à distances régionales: un mécanisme de défocalisation de l'énergie sur une structure anticlinale, l'allongement de la durée des mouvements du sol par rétropropagation des champs d'ondes dans un bassin sédimentaire, l'influence de la raideur (Ides reliefs et de la profondeur de la source sur les champs d'ondes diffractés par une explosion. A distances télésismique, une étude est menée qui précise l'incidence des structures hétérogènes se trouvant dans la région de la source, sur l'estimation de la magnitude.