Th. doct.--Géophys.--Paris 11, 1991. / 1993 d'après la déclaration de dépôt légal. Bibliogr. p. 284-291. Notes bibliogr. Résumé en français.

Thèse doctorat : Informatique : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 5 p.

Thèse de doctorat : Génie civil, Hydrosystèmes, géotechnique : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Certaines études séismiques du manteau supérieur, menées sous le Bouclier Canadien, indiquent la présence d'anomalies de faible vitesse à l'intérieur de la lithosphère de la région. Le manque de couverture vers l'est et le sud-ouest empêchait auparavant la conscription de la géométrie 3D de ces anomalies. L'ajout de plusieurs stations au Québec et aux États-Unis permet une nouvelle analyse des structures de vitesse séismique par l'utilisation de la tomographie des ondes P. Ce nouveau réseau couvre un territoire d'environ 1750 par 1550 kilomètres répartis sur trois provinces géologiques soit, le Supérieur, le Grenville et les Appalaches. De cette manière, il a été possible de mieux comprendre la complexité mantellique de l'est de l'Amérique du Nord. Les temps d'arrivée relatifs des ondes P furent calculés par la méthode de corrélation croisée à canaux multiples de VanDecar et Crosson (1990). Les structures de vitesse séismique furent ensuite déterminées à partir d'une inversion tomographique des temps d'arrivée résiduels relatifs selon la méthode de VanDecar (1991). L'analyse du modèle résultant montre la présence de caractéristiques lithosphériques semblables entre les provinces du Supérieur et de Grenville, toutes deux d'âge précambrien. Elle montre également une lithosphère beaucoup plus mince sous la Province des Appalaches, d'âge paléozoïque. De plus, l'asthénosphère située sous cette dernière a une vitesse moyenne beaucoup plus faible que celle située sous la lithosphère précambrienne. Cela est peut-être dû à la déshydratation d'une plaque en subduction. La délimitation d'un corridor de faible vitesse positionne assez bien l'emplacement des provinces ignées associées au passage du point chaud Great Meteor. Il est également possible d'observer des traces de plaques en subduction à deux endroits. La première plaque se trouve dans la lithosphère sous la Province d'Opatica et semble reliée au processus d'accrétion de la Province du Supérieur. La seconde, quant à elle, se trouve dans le manteau inférieur et pourrait constituer la plaque Farallon, en subduction à partir de la marge ouest du continent. Enfin, cette étude a permis d'affirmer l'importance de deux processus ayant contribué au remodelage du manteau sous l'est de l'Amérique du Nord soit, la subduction et l'interaction de la lithosphère continentale avec un point chaud. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tomographie, séismologie, modélisation, manteau, Amérique du Nord

Des séismes provenant de la ride médio-atlantique et du nord canadien ont été utilisés afin de dégager les structures de la croûte et du manteau supérieur au Groenland. Ces tremblements de terre, enregistrés aux stations sismiques permanentes et temporaires du projet GLATIS (Greenland Lithosphere Analysed Teleseismically on the Ice Sheet), ont permis d'acquérir plus de 3200 trajectoires séisme-station, couvrant ainsi la majorité de la région à l'étude. Afin d'identifier les structures de la croûte et du manteau supérieur au Groenland, nous avons analysé les composantes verticales des données sismiques provenant de ces trajectoires séisme-station et avons obtenu des courbes de dispersion de vitesses de groupe d'onde de Rayleigh au moyen de la méthode d'analyse en filtrage multiple. Nous avons construit des cartes tomographiques de vitesses de groupe pour une gamme de périodes de 15 à 50 secondes à partir d'une inversion tomographique pour un milieu isotropique. Les résultats de l'inversion des vitesses de groupe ont été utilisés afin de construire des courbes de dispersion unidimensionnelles. Nous avons procédé à une inversion des courbes ayant un intérêt géologique afin de dégager des modèles de vitesses d'ondes de cisaillement en fonction de la profondeur pour quatre profils. Les modèles présentent une structure de vitesse élevée Vs par rapport au modèle de référence (iasp91 modifié) pour la partie sud du Groenland, sus-jacente à une structure de faible vitesse plus en profondeur. Des variations de l'ordre de 10 % supérieur au modèle de référence ont été observées dans la portion centre-sud au sein de la croûte continentale. Cette structure est interprétée comme étant la partie précambrienne du Groenland, soit le craton archéen et la ceinture protérozoïque Nagssugtoqidian. Une structure circulaire, observée sur les cartes tomographiques de vitesse de groupe, été notée dans la partie centrale. Cette dernière pourrait être reliée à des structures à l'interface de la croûte continentale et du manteau supérieur, suggérant ainsi une épaisseur de croûte plus grande dans la partie centrale-est. Les courbes de dispersion unidimensionnelles proposent également une épaisseur de croûte plus importante dans la partie centrale du Groenland comparativement au sud. Les modèles réalisés lors de cette étude, similaires aux études tomographiques globales, ont permis d'augmenter significativement la résolution au Groenland et également l'obtention de nouvelles structures dans la croûte continentale et le manteau supérieur. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Groenland, structure, croûte, ondes de Rayleigh, vitesses de groupe

Nous construisons un modèle dépendant du temps, en géométrie tridimensionnelle sphérique, de la convection dans un manteau compressible et dissipatif qui est compatible avec la dynamique de l'écoulement mantellique instantané basé sur la tomographie sismique. Nous réalisons cet objectif à l'aide d'une méthode numérique pseudo-spectrale actualisée et révisée. En résolvant le problème direct de la convection thermique dans le manteau, nous obtenons une gamme réaliste de flux de chaleur à la surface de la Terre, variant de 37 TW pour une surface rigide à 44 TW pour une surface avec plaques tectoniques couplés à l'écoulement mantellique. De plus, nos modèles de convection prédisent des flux de chaleur à la frontière noyau-manteau (CMB) qui se trouvent à la limite supérieure des valeurs estimées précédemment, à savoir 13 TW et 20 TW, pour la surface rigide et la surface avec plaques, respectivement. Les deux conditions aux limites de surface, ainsi que les profils radiaux de viscosité inférés de la géodynamique, donnent des flux convectifs en état d'équilibre qui sont dominés par de longues longueurs d'onde tout à travers la partie inférieure du manteau. À savoir la condition de surface rigide donne un spectre d'hétérogénéité mantellique dominé par le degré 4 à 1 intérieur des couches limites thermiques (TBL), et la condition de surface avec plaques donne comme résultat un spectre dominé par le degré 1. Nous démontrons que la structure initiale thermique est fortement imprimée sur l'évolution future du manteau, et aussi que la mesure dans laquelle l'hétérogénéité initiale du manteau détermine la distribution de la température finale dépend de la condition à la limite de la surface. Notre exploration de la dépendance temporelle de l'hétérogénéité spatiale indique que, pour ces deux types de condition aux limites à la surface, les remontées de matière chaude provenant du manteau profond qui sont résolues dans le modèle tomographique sont des caractéristiques durables et stables de la convection dans le manteau terrestre. Ces panaches chauds profondément enracinées dans le manteau profond démontrent une longévité remarquable au cours de très longues des intervalles de temps géologiques. Cette stabilité des panaches profonds est principalement due à la forte viscosité dans le manteau inférieur inférée avec les données géodynamiques. Nous proposons également que les panaches mantelliques profondes sous les points chauds («hotspots») suivants : Pitcairn, Pâques, Galápagos, Crozet, Kerguelen, Caroline, et le Cap-Vert, sont les mieux résolus par l'imagerie tomographique du manteau à grand échelle. Afin de résoudre et évaluer la robustesse du problème inverse de la convection mantellique, nous considérons et comparons deux différentes techniques numériques actuellement utilisées dans la modélisation de la convection vers le passé : les méthodes de la quasi-réversibilité (QRV) et de l'advection vers l'arrière (BAD), sur un intervalle de temps de plus de 65 millions d'années. Nous définissons une nouvelle formulation du paramètre de régularisation pour la méthode QRV en terme d'une fonction dépendant du temps et nous quantifions la gamme des incertitudes suivantes, [7 à 29]% [11 à 37]% [8 à 33]%, et [6 à 9]% pour les champs de la divergence des plaques, les anomalies de gravité à l'air libre, la topographie dynamique de la surface, et la topographie de la CMB, respectivement. Les implications dominantes pour le problème inverse de la convection mantellique sont à la fois le choix d'un géotherme et le type de condition limite à la surface. Toutefois, l'impact critique sur la reconstruction de l'évolution thermique du manteau provient de l'intégration entre les hétérogénéités du manteau (structures décrites par degrés harmoniques l ≥ 1) et un géotherme «réaliste» (structure décrite par le degré harmonique l = 0), à l'intérieur des couches limites thermiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Flux de chaleur, tomographie sismique, tectonique planétaire, courants de convection, panaches mantelliques, points chauds, rhéologie du manteau, méthodes d'inversion, Cénozoïque.

Th. univ.--Math. appliquées--Paris 13, 1995. / 1995 d'après la déclaration de dépôt légal. Textes en français ou en anglais. Bibliogr. p. 149-152. Résumé bilingue.

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.

La collision alpine a créé des structures complexes comme des chaînes de montagnes très arqués et des interactions compliquées entre les slabs subduits. La polarité de subduction est inversée à la transition entre les Alpes et les Apennins et les Alpes et les Dinarides. Le fait que la plaque Adria subducte en même temps vers l'ouest et vers l'est avec un fort pendage, presque verticalement, suggèrent une flexion importante de cette plaque. Notamment, si on considère de plus la proposition qu'Adria subducte aussi vers le nord sous les Alpes de l'est, ce qui est toujours sujet de discussion. Des déchirures dans le slab adriatique sous les Dinarides du nord à plus de 150 km de profondeur et sous les Apennins à moins de 200 km, pourraient être des signes d'une forte tension et, en conséquence, un détachement de la plaque adriatique. La plaque européenne pourrait aussi avoir subi plusieurs déchirures le long des Alpes. Cette hypothèse sujette à débat nécessite de nouveaux modèles tomographiques. Le modèle tomographique présenté dans cette thèse se base sur les vitesses de phase des ondes de surface pour donner un modèle 3-D à haute résolution des vitesses de cisaillement de la surface jusqu'à 200 km de profondeur. Ce modèle est unique de par sa haute résolution dans le manteau lithosphérique où des modèles antérieurs montrent de fortes incertitudes. Afin d'imager la croûte et le manteau supérieur en même temps, une combinaison des données de vitesses de phase des ondes de surface mesurés à partir des bruits ambiants ainsi que des séismes est utilisée dans cette thèse.Pour tester la validité de cette procédure, une comparaison détaillée des mesures de vitesses de phases et des structures imagées avec les deux méthodes est présentée. De l’analyse résulte un faible biais qui montre des vitesses plus élevées avec les données se basant sur des séismes par rapport aux données se basant sur le bruit ambiant. En comparant avec des travaux antérieurs, il est apparu que ce biais est dû à une différence méthodologique. Plusieurs paramètres qui pourraient influencer les mesures du bruit ambiant sont testés numériquement. Une cause unique n'a pu être identifiée. L'explication la plus probable pour le biais est une combinaison entre différentes sensibilités des méthodes aux structures et l'influence des modes supérieurs. Néanmoins, l'écart est suffisamment faible par rapport aux variations structurales pour être négligé.Un modèle final de vitesse de cisaillement de la région alpine est obtenu avec une résolution latérale d'environ 25 km dans la croûte peu profonde. Les tests synthétiques donnent une résolution approximative de profondeur estimée à 2 km près de la surface et de 5 km à la profondeur du Moho. Dans le manteau supérieur, la résolution baisse rapidement mais les structures principales des panneaux plongeants restent bien imagées jusqu'à une profondeur de 200 km le long des Alpes et des Apennins.La partie crustale du modèle donne des informations à haute résolution sur la taille et la profondeur des bassins sédimentaires et du corps d’Ivrée ainsi que sur la profondeur et la structure du Moho. Ce modèle de vitesses de cisaillement est le premier montrant autant de détails et couvrant les Alpes entières, il est proposé que le modèle pourrait servir comme référence pour la région.Le modèle montre les limites des zones de subduction et les régions de basses vitesses asthénosphèriques montants sous les bassins Ligure et pannonien. Des structures connues comme les déchirures de slabs sous les Apennins et les Dinarides sont imagés. Des découvertes supplémentaires ont été mises en évidence : une petite zone de faible vitesse qui coupe la lithosphère au nord des Dinarides est interprété comme l'expression d'une grande faille décrochante... / The plate collision in the Alps and adjacent orogens has created a complex picture of highly arcuate mountain belts and complicated interactions of subduction slabs. The subduction polarity is reversed from European to Adriatic subduction in the transition of the Alps to the Apennines and to the Dinarides. The subduction of Adria both to the west and east and the almost vertical dip of the slabs implies an important flexure of this plate. Even more so if one considers the proposed subduction of Adria also to the north under the eastern Alps, which is still a matter of discussion. Gaps in the Adriatic slab under the northern Dinarides, below 150~km depth and in the southern Apennines above 200~km may be signs of the stresses and the consequent tearing that the Adriatic plate is exposed to.Also the European plate has supposedly undergone one or several break-offs all along the Alpine arc. Especially in the eastern and western Alps it is still an open question whether the European slab is detached below the lithosphere. New tomographic models are thus needed.The herein presented tomographic model is based on surface-wave phase velocities and gives a picture of the shear-velocity structure from the surface to 200 km depth. It is the first high-resolution shear-velocity model of the entire Alpine crust and upper mantle. It is also unique in its good resolution in the lithospheric mantle, where previous body-wave models are subject to high uncertainties. In order to be able to image both crust and upper mantle, a combination of ambient-noise and earthquake-based phase-velocity measurements is used in the present thesis.The validity of this approach is tested by a detailed comparison of the phase-velocity measurements and the structures that are imaged from each method individually. A small bias between the methods results in slightly elevated velocities from earthquake measurements. By comparison with earlier works it appears that this bias is due to methodological differences. Several effects that may influence the ambient-noise records are tested with synthetic experiments, but no unique cause is found. The most likely explanation for the bias between the two methods is a combination of different structural sensitivities and the influence of higher modes. Nevertheless, the discrepancy is sufficiently small with respect to the structural variations that the bias can be neglected.A final shear-velocity model of the Alpine region is obtained which has a lateral resolution in the shallow crust of approximately 25 km. From synthetic tests, the average depth resolution is estimated to be 2~km close to the surface and 5 km for the Moho depth. In the upper mantle the resolution decreases significantly, but main slab structures are well imaged in the central Alps and the Apennines down to the bottom of the model at 200 km depth.Highlights of the crustal part of the model are size and depth of sedimentary basins, the Ivrea body and the Moho structure. Being the first shear-velocity model of this detail and extend it is proposed to serve as reference for the Alps...

La télédétection des conditions physiques du pergélisol dans trois buttes de pergélisol près d'Umiujaq au Nunavik (Québec) a été réalisée à l'aide de la tomographie électromagnétique forage-forage et surface-forage. Les objectifs de ces travaux géophysiques étaient d'étudier la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu physique partiellement gelé et de déterminer la cryostratigraphie des buttes de pergélisol. Des antennes à géométrie cylindrique de géoradar à ondes courtes de 50, 100 et 200 MHz ont été glissées dans des regards géophysiques secs mis en place préalablement à l'étude ou utilisées en surface. La cryostratigraphie générale des buttes de pergélisol étudiées définie à partir des tomogrammes de vitesse de propagation des ondes électromagnétiques correspond à celle obtenue de forages et de l'échantillonnage de ces buttes. La résolution des tomogrammes est meilleure aux plus hautes fréquences.