Regensburg, Univ., Diss., 2008.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

Thesis (doctoral)--Universiẗat, Erlangen-Nürnberg, 2003.

Zugl.: Regensburg, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Leipzig, Universiẗat, Diss., 2003.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Bien que de nombreuses études géodynamiques et tectoniques aient été effectuées à partir l'activité sismique en Equateur, il n'existait pas à ce jour une tomographie complète utilisant l'ensemble des données du réseau sismologique Equatorien (RENSIG), mise à part une étude prélimaire sur la partie centrale de l'Equateur menée en 1994 par Prévot et coll. et de plusieurs profils sismiques déterminés à la suite des campagnes marines SALIERI et SISTEUR. Inverser les centaines de millier de temps d'arrivées d'ondes P et S, de qualité inégale, formant le catalogue RENSIG était le défi qu'a constitué le sujet de cette thèse.Nous décrivons comment nous avons complété le catalogue RENSIG par des données provenant du Nord du Pérou et comment nous avons homogénéisé et filtré l'ensemble de données résultant, comportant plus de 800 000 temps d'arrivée correspondant à plus de 50 000 séismes. Pour inverser ces données nous avons adopté une approche Bayésienne. Nous montrons comment le problème peut être reformulé dans un contexte Gaussien par un changement de variables, tout en imposant une statistique robuste aux données, qui conduit à un problème de moindre carrés non linéaire. Nous détaillons particulièrement la régularisation du problème au travers des noyaux de covariance qui conduit à définir des paramètres de contrôle fort utils pour l'inversion. Nous montrons également qu'inverser des différences de données revient à introduire des termes spécifiques de corrélation dans la matrice de covariance des données, tout en conservant les données brutes. Nous indiquons finalement comment le calcul de l'indice de restitution permet de définir une zone de confiance du modèle résultant de l'inversion.L'inversion a été menée pratiquement en utilisant les codes informatiques (en Fortran 2003 par B. Potin, B. Valette, V. Monteiller): LOCIN (localisation) et INSIGHT (tomographie). La région finale d'étude est constituée par une boite parallélipipédique de dimension 590$times$770 km$^2$ de base et de 244 km de hauteur qui contient la topographie de la surface. Le modèle est constitué d'une part des valeurs de $v_P$ et $v_P/v_S$ sur une grille ayant 5 km de pas horizontal et 2 km de pas vertical et, d'autre part, des paramètres d'identification spatiale et temporelle des séismes. Un ensemble de tests nous a permis de déterminer des valeurs raisonables de ces paramètres au travers d'un analyse de type courbe en L.Nous avons obtenu une amélioration de la localisation de la sismicité, qui nous a permis de mieux décrire les essaims superficiels comme ceux de Pisayambo, Macas et du Reventador et d'identifier des linéaments en relation avec la Tectonique. Nous avons également obtenu une image de la sismicité à profondeur intermédiaire qui est dominée par la présence de 4 nids sismiques, ceux de Madonaldo, La Man'a et de Guayaquil à des profondeurs entre 75 et 115 km et celui de Puyo à de plus grandes profondeurs. La zone de Wadati-Benioff nous a permis de définir la profondeur du slab jusqu'à des profondeurs de 100-150 km en fonction de la latitude et d'observer la décroissance du pendage de 25° environ au nord et au centre de l'Equateur jusqu'à environ 10° au sud puis au nord du Pérou. Par ailleurs, l'analyse du champ de vitesse des ondes P suggère fortement que le slab est coupé en deux morceaux, le morceau sud passant sous le morceau nord au niveau du nid sismique de Puyo. Le modèle $v_P/v_S$ présente une forte anomalie positive de ce rapport le long de la cordillère occidentale à des profondeurs entre 30 et 50 km qui caractérise des matériaux partiellement fondus et correspond au réservoir d'alimentation profond de l'arc volcanique. Enfin, nous avons déduit de notre modèle un modèle de profondeur de Moho en prenant la profondeur de maximum de la norme du gradient de vitesse entre les vitesses de 7.2 et 7.4 km/s et en incorporant l'information sur la profondeur de Moho provenant des campagnes SALIERI et SISTEUR dans la marge active. / Although there have been numerous studies on the geodynamics and the tectonics in Ecuador based on the seismic activity, there has not been to date a comprehensive tomography study using the entire database of the National Seismic Network (RENSIG). Only a preliminary limited study was performed by Prevot et al. to infer a simple P velocity model in central Ecuador, and several profiles in the South-Colombian-Ecuador margin were also investigated by using travel time inversion of wide-angle seismic data obtained during the two marine experiments SISTEUR and SALIERI. Inverting the hundreds of thousands of arrival times of P and S waves of uneven quality that constitutes the RENSIG catalogue is the challenging subject of this thesis.We describe how we complemented the RENSIG catalogue with data from the Northern Peru network and how we homogenized and filtered the resulting dataset of more than 800 000 first arrival times of P and S waves corresponding to more than 50 000 earthquakes. To invert these data for both the velocity models and the event locations we adopted a Bayesian approach. We show how the problem can be recast in the Gaussian framework by changes of variable while imposing a robust statistics to the data, and how it leads to a generalized nonlinear least squares problem. We detail in particular the regularization of the models through the smoothing and damping properties of the covariance kernels. We also show that inverting differences in data instead of the raw data amounts to the introduction of specific correlation terms in the data covariance matrix, while keeping the same set of data. We finally indicate how the computation of the averaging index allows the delimitation of a confidence region for the resulting model.The practical inversion has been carried out by using the two Fortran 2003 codes (B. Potin, B. Valette, V. Monteiller): LOCIN (prior localization) and INSIGHT (tomography). The final study region is a parallelepipedic box of 590$times$770 km$^2$ area and 244 km height that contains the topography of the surface. The models consist of the $v_P$ and $v_P/v_S$ fields discretized over a grid, the spacing of which is 5 km in the horizontal directions and 2 km in the vertical one, and of the spatial and temporal parameters of the seismic events. A battery of tests allowed us to set reasonable values for these tuning parameters through an L-curve analysis.We obtained the spatial distribution of the seismicity with an improved accuracy which allows us to describe with more details the shallow seismic clusters, as those of Pisayambo, Macas, Reventador, and to identify lineaments in the seismicity in relation with tectonics. We obtained also a clear image of the intermediate depth seismicity wich is dominated by 4 nests, namely the Maldonado, La Man'a, and Guayaquil nests, at depths ranging between 75 km and 115 km, and the Puyo nest at much deeper depths. The Wadati-Benioff zone allowed us to clearly defined the topography of the slab only to a depth to about 110-150 km, depending on the latitude, and to observe the decrease of the dip angle from about 25° in northern and central Ecuador down to about 10° in southern Ecuador and northern Peru. On the other hand, the analysis of the P velocity clearly suggests that the slab is broken in two pieces, the southern one passing under the northern at the level of the Puyo nest. The $v_P/v_S$ model presents a high anomaly of the ratio along the western cordillera at a depth ranging between 30 km and 50 km that characterized partially melted rocks and corresponds to the feeding reservoir of the volcanic arc. Finally, we deduced the Moho depth from our model by taking the depth for which the norm of the velocity gradient is maximum between 7.2 and 7.4 km/s and by incorporating information on the Moho depth provided by the SISTEUR and SALIERI experiments in the convergent margin.

Les Alpes occidentales, résultat de la collision entre la plaque Eurasie et le promontoire apulien de la plaque Afrique, traversent l'Europe sur près de 1200 km. C'est l'une des chaînes de montagnes les mieux étudiées au monde, notamment par des méthodes d'imagerie géophysique. Celles-ci ont permis de réaliser plusieurs grands profils d'échelle crustale par sismique active. Parallèlement, la sismicité de magnitude relativement modérée a motivé le déploiement de réseaux sismologiques denses permettant de localiser plusieurs milliers d'évènements par an. Ces données apportent énormément d'information sur la géodynamique actuelle des Alpes et ont servi à réaliser plusieurs tomographies. L'ensemble de ces travaux permet une bonne compréhension de la chaîne, cependant des incertitudes persistent motivant la présente étude dont l'ambition est de réaliser une tomographie de la lithosphère des Alpes occidentales.Notre étude s'appuie sur plus de 791000 temps d'arrivée d'ondes P et S émises par plus de 36000 séismes locaux et enregistrées par 375 stations. Le domaine d'étude de 456x414 km2 couvre le sud-est de la France, le nord-ouest de l'Italie et la majeure partie de la Suisse. Dans ce domaine, la majorité des séismes a lieu dans les premiers 15 km de la croûte et grande partie des temps d'arrivée correspondent à des ondes réfractées au toit du manteau. Cela permet d'obtenir une résolution convenable à la fois dans la croûte et dans le toit du manteau. L'intérêt d'utiliser un grand nombre de données est double : cela assure une couverture relativement complète du domaine et améliore par la loi des grands nombres la précision du modèle déterminé. Toutefois, ce type de jeu de données nécessite un traitement adapté pour gérer les inévitables données aberrantes.La tomographie par temps d'arrivée de séismes locaux de la lithosphère a été réalisée à l'aide du code INSIGHT, développé au cours de cette étude à partir d'un code de V. Monteiller et B. Valette. Le modèle est constitué des valeurs de vP et vP/vS en chaque nœud d'une grille 3D à taille de maille constante, des localisations et des paramètres d'effets de site analogues aux « corrections statiques » de la prospection sismique. Le modèle vP a priori pour la croûte et le manteau supérieur est une fonction continue de la profondeur. Les localisations initiales des foyers ont été obtenues à l'aide du code LOCIN développé pour cette étude et permettant de déterminer une densité de probabilité par recherche sur grille. Les temps de propagation sont déterminés pour les premières arrivées en intégrant la lenteur le long des rais ; la géométrie de ceux-ci est déterminée par le maximum du gradient des temps de propagation, eux-mêmes calculés par la résolution de l'équation eikonale par différences finies. L'inversion est menée par une approche de moindres carrés non-linéaires, basée sur une description stochastique des données et des paramètres du modèle.La topographie du Moho est déduite de ce modèle de tomographie en prenant le maximum du gradient de vP obtenu entre les isovitesses 7,3 et 7,6 km/s. Cette information est complétée par des modèles issus de précédentes études. La large proportion d'ondes réfractées de notre lot de données permet un niveau de détails relativement fin. Ce modèle du Moho est ensuite introduit comme interface a priori dans un nouveau processus de tomographie dans lequel les paramètres vP et vP/vS de la croûte et du manteau sont décorrélés. La discontinuité du Moho est mieux modélisée et les ondes réfractées sont mieux déterminées. Cette approche permet par ailleurs de calculer les temps de propagation des ondes directes lorsque celles-ci arrivent après les ondes réfractées : plus de 100000 temps d'arrivées sont ainsi ajoutés aux données et la résolution dans la croûte est améliorée.Ces deux tomographies, la topographie du Moho et les localisations fines apportent de nouvelles informations sur les structures profondes des Alpes occidentales. / The Alpine chain, which stretches in the middle of Europe across six countries, is probably the most studied mountain range in the world. Geology and metamorphism studies contributed for a large part to the current understanding of the geodynamics and history of this region. Since the second half of the 20th century, geophysical methods were employed to study its lithosphere and several crustal cross-sections where performed, mainly using controlled-source seismology. In parallel, dense seismic networks were also deployed in France, Italy, and Switzerland in order to study the usually low-magnitude activity of the western Alps. Over the past 25 years, these networks have permitted to locate tens of thousands of local earthquakes. In the last two decades, local or regional tomographic studies have been conducted using subsets of this data, which substantially improved our understanding of the deep structure of the Alps.Here, and based on 36,000 seismic events, 375 stations and more than 791,000 P and S-waves arrival times, we performed a tomographic study on a 456x414 km2 area covering the western Alps. Even if most of these earthquakes occurred within the first 15 km beneath surface, a large part of the data is composed of refracted-waves, letting us insight the deep structure of the crust. The interest of such a large dataset relies on the accuracy ensured by the law of large numbers, but the unavoidable presence of outliers requires a specific approach in order to handle it. The a priori earthquake locations were computed using the LOCIN algorithm developed in this study, which is basically a grid-search algorithm combined with a probabilistic approach.Tomography of the crust and upper mantle based on travel-times analysis was conducted using the INSIGHT algorithm which was developed in this study (based on a V. Monteiller and B. Valette algorithm). Our model consists of a set of vP and vP/vS values given at each node of a three-dimensional, regularly-spaced grid, which constitutes the inversion grid. Transition between crust and mantle is modelled by a continuous change in velocity, as we do not introduce any a priori information on the Moho interface. Earthquake locations and site-effect residuals at each station (analogous to "static corrections" in seismic prospecting) are also determined in the process. The forward computation of travel times in the 3D model is performed by integrating slowness along the rays, which are determined by a finite-difference resolution of the eikonal equation. Inversion is carried out using a non-linear least-squares approach based on a stochastic description of data and model. The smoothing and damping parameters are adjusted by means of L-curves analysis.The Moho topography is determined by matching two informations: (i) the maximum of the vP gradient within this preliminary tomographic model, taken in a 7.3-7.6~km/s range and (ii) information provided by previous studies to fix Moho depth in the border area of our study zone, where our model is poorly resolved. As our tomographic model relies on a large set of refracted waves, the Moho topography we build is detailed and presents interesting new insights for the western Alps. This Moho interface is then used as an a priori discontinuity in a new tomography process. Parameters within the crust and the upper mantle are then decorrelated, letting refracted-waves to be more correctly modelled. By this approach, we are able to compute not only the first- but also the second-arrival travel-time which corresponds to the direct wave in the crust for focus-station distances greater than 100-125 km. This allows us to add more than 100,000 new data to our dataset, which of course improves the resolution in the crust.Both tomographic models, the Moho topography and the earthquake relocations provides new evidences and constraints on the deep structure of the western Alps.

L’utilisation des matériaux constitués de fibres synthétique ou naturelle est en pleine expansion et concerne de nombreux secteurs : industrie automobile, aéronautique, électrique, filtration de l’air ou applications médicales. Malgré des procédés de fabrication et des natures de fibres différents, ces matériaux ont pour point commun d’être constitués d’un réseau de fibres liées entre elles par des liaisons. Les papiers et les cartons sont, par exemple, constitués de fibres de cellulose naturelles liées chimiquement. A l’heure actuelle, les mécanismes de fissuration dans de tels milieux sont encore mal compris. Ils dépendent fortement (a) des propriétés des constituants : géométrie et propriétés mécaniques des fibres et des contacts fibre-fibre, (b) des caractéristiques des réseaux fibreux : géométrie et arrangement des fibres, et des caractéristiques du réseau poreux induit : porosité, distribution de taille des pores, répartition spatiale des pores, etc. et (c) des modes de sollicitations mécaniques. Dans ce type de matériaux, les effets d’échelles doivent être pris en compte pour compléter les approches mécaniques traditionnelles. Les récents progrès en mécanique expérimentale et en simulation numérique permettent de mener une telle étude de l’échelle de la fibre à celle du réseau fibreux.Cette thèse a donc pour but de mettre en place des outils d’analyse des microstructures et des mécanismes de fissuration dans les milieux fibreux à faible densité. Pour cela, (i) des essais de micromécaniques seront couplés à des méthodes d’imagerie (ESEM, microtomographie à rayons X, stéréocorrélation) afin de caractériser expérimentalement les milieux et leur endommagement (ii) Cette étude vient compléter les travaux expérimentaux menés dans les deux laboratoires 3SR et LGP2 (ANR ANAFIB http://anafib.hmg.inpg.fr/spip.php?rubrique1) et sera complétée par des simulations numériques des essais réalisés en collaboration avec Per Isaksson de l’Université d’Uppsala (Suède). / Materials made up of synthetic or natural fibres are increasingly developed in various domains: papermaking, composite, automotive and aeronautic industries for structural, packaging, air filtration or medical applications. Despite the variety of manufacturing processes of such materials, all of them can be considered as being formed by a network of fibres interconnected via bonds. For instance, in the case of materials made up of natural cellulosic fibres such as papers or boards, fibres are chemically linked.Crack propagation phenomena in such materials remain poorly understood even though it can be presumed that such mechanisms depend on:- (i) the geometrical and mechanical properties of the constituents of individual fibres and fibre-fibre bonds,- (ii) the architecture of the fibrous network, for example the spatial distributions of fibres, bonds and pores and the size distributions of pores and bonds,- (iii) the applied mechanical loadings.In such materials, scale effects must be investigated in order to improve the classical approaches used to understand crack propagation mechanisms. Recent progresses in both experimental mechanics and numerical simulation approaches allow such a study from the fibre scale up to the fibre network scale to be carried out.The proposed PhD aims first at developing an original experimental approach to analyse microstructure changes and crack propagation phenomena for low density papers. For that purpose x-ray microtomography or ESEM, and stereo-correlation experiments will be carried out to investigate microstructural changes and deformation mechanisms at all relevant scales (see the illustration given in ).

Au cours des dernières années, les techniques d'imagerie par tomographie se sont diversifiées pour de nombreuses applications. Cependant, des contraintes expérimentales conduisent souvent à une acquisition de données limitées, par exemple les scans rapides ou l'imagerie médicale pour laquelle la dose de rayonnement est une préoccupation majeure. L'insuffisance de données peut prendre forme d'un faible rapport signal à bruit, peu de vues, ou une gamme angulaire manquante. D'autre part, les artefacts nuisent à la qualité de reconstruction. Dans ces contextes, les techniques standard montrent leurs limitations. Dans ce travail, nous explorons comment les méthodes de reconstruction régularisée peuvent répondre à ces défis. Ces méthodes traitent la reconstruction comme un problème inverse, et la solution est généralement calculée par une procédure d'optimisation. L'implémentation de méthodes de reconstruction régularisée implique à la fois de concevoir une régularisation appropriée, et de choisir le meilleur algorithme d'optimisation pour le problème résultant. Du point de vue de la modélisation, nous considérons trois types de régularisations dans un cadre mathématique unifié, ainsi que leur implémentation efficace : la variation totale, les ondelettes et la reconstruction basée sur un dictionnaire. Du point de vue algorithmique, nous étudions quels algorithmes d'optimisation de l'état de l'art sont les mieux adaptés pour le problème et l'architecture parallèle cible (GPU), et nous proposons un nouvel algorithme d'optimisation avec une vitesse de convergence accrue. Nous montrons ensuite comment les modèles régularisés de reconstruction peuvent être étendus pour prendre en compte les artefacts usuels : les artefacts en anneau et les artefacts de tomographie locale. Nous proposons notamment un nouvel algorithme quasi-exact de reconstruction en tomographie locale. / In the last years, there have been a diversification of the tomography imaging technique for many applications. However, experimental constraints often lead to limited data - for example fast scans, or medical imaging where the radiation dose is a primary concern. The data limitation may come as a low signal to noise ratio, scarce views or a missing angle wedge.On the other hand, artefacts are detrimental to reconstruction quality.In these contexts, the standard techniques show their limitations.In this work, we explore how regularized tomographic reconstruction methods can handle these challenges.These methods treat the problem as an inverse problem, and the solution is generally found by the means of an optimization procedure.Implementing regularized reconstruction methods entails to both designing an appropriate regularization, and choosing the best optimization algorithm for the resulting problem.On the modelling part, we focus on three types of regularizers in an unified mathematical framework, along with their efficient implementation: Total Variation, Wavelets and dictionary-based reconstruction. On the algorithmic part, we study which state-of-the-art convex optimization algorithms are best fitted for the problem and parallel architectures (GPU), and propose a new algorithm for an increased convergence speed.We then show how the standard regularization models can be extended to take the usual artefacts into account, namely rings and local tomography artefacts. Notably, a novel quasi-exact local tomography reconstruction method is proposed.