La Chaîne Hercynienne est un objet majeur de la tectonique européenne, néanmoins sa structure profonde demeure mal connue. Le Massif Armoricain est un segment préservé de cette chaîne, il présente une structuration NO-SE, parallèle à la direction générale de la chaîne dans cette région. Il est habituellement divisé en trois domaines séparés par deux zones de cisaillement majeures, les Cisaillements Nord- et Sud-Armoricains. Le Massif Armoricain présente l'avantage de n'avoir été affecté par aucun événement tectonique ou thermique important depuis les temps hercyniens et constitue donc un objet particulièrement intéressant pour l'étude d'une chaîne de collision ancienne. Dans le cadre du Programme GéoFrance3DARMOR2, deux expériences d'écoute sismologique passive ont été menées en 1997 et 1999 dans le Massif Armoricain. Les objectifs étaient : (1) la détermination de l'extension en profondeur des deux zones de cisaillement ; (2) la détermination de leur géométrie profonde ; (3) l'imagerie précise du complexe métamorphique des Nappes de Champtoceaux (roches de haute pression exhumées au stade précoce de la collision hercynienne). Les données collectées ont permis de modéliser l'anisotropie sismique et de construire un modèle tridimensionnel des variations de la vitesse des ondes P sous le Massif Armoricain. L'imagerie de la croûte ne permet pas de mettre en évidence l'enracinement supposé des Nappes de Champtoceaux. En revanche, les images obtenues pour le manteau supérieur montrent un signal clair interprété comme la signature d'une subduction à vergence nord qui se termine au Dévonien (~350 Ma) pour laisser place à un régime transpressif intense au niveau du Cisaillement Sud-Armoricain au début du Carbonifère. Ces mêmes résultats montrent que l'extension du Cisaillement NordArmoricain est limité à la croûte tandis que le Cisaillement Sud peut être suivi jusqu'à plus de 150 km de profondeur.

Nous souhaitons connaître les processus qui contrôlent les glissements de terrain lents à l'aide de méthodes sismiques passives. Nous installons des dispositifs d'écoute sismique sur les sites de Super-Sauze (France) et de Valoria (Italie). Nous détectons, localisons et caractérisons trois types principaux de signaux sismiques. Un type est associé aux séismes régionaux donc externe à la dynamique des glissements. Les deux autres sont localisés dans des foyers de fissures ou des ruptures de pente. Nous suggérons que le premier type est associé à des écroulements depuis l'escarpement et à du transport en surface, tandis que le second type est associé à des fractures et des cisaillements. On montre qu'il existe des corrélations entre ces signaux, les déplacements en surface et les précipitations. Les glissements de terrain sont des volumes variables dans le temps et dans l'espace, ce qui impose une maintenance régulière des équipements et complexifie l'acquisition de données permanentes.

Nous souhaitons connaître les processus qui contrôlent les glissements de terrain lents à l’aide de méthodes sismiques passives. Nous installons des dispositifs d’écoute sismique sur les sites de Super-Sauze (France) et de Valoria (Italie). Nous détectons, localisons et caractérisons trois types principaux de signaux sismiques. Un type est associé aux séismes régionaux donc externe à la dynamique des glissements. Les deux autres sont localisés dans des foyers de fissures ou des ruptures de pente. Nous suggérons que le premier type est associé à des écroulements depuis l’escarpement et à du transport en surface, tandis que le second type est associé à des fractures et des cisaillements. On montre qu’il existe des corrélations entre ces signaux, les déplacements en surface et les précipitations. Les glissements de terrain sont des volumes variables dans le temps et dans l’espace, ce qui impose une maintenance régulière des équipements et complexifie l’acquisition de données permanentes. / We aim at improving our knowledge regarding slow-moving landslide evolution processes by means of passive seismic methods. Seismic arrays have been installed on two landslides (Super-Sauze, France and Valoria, Italy). We detect, locate and characterise three main types of seismic signals. One type corresponds to the regional earthquakes and is also external to the dynamics of the landslides. The two others are located into clusters close to fractured or scarp zones. The first type is interpreted as rock falls or brittle material propagating along the slide, while the second type is interpreted as fracture or shearing phenomena. We evaluate that displacements and precipitations might be correlated with seismic signals variations. Landslides are likely to move and to mechanically change in space and time, which implies a continuous monitoring of the seismic equipment and prevents from long-term acquisition.

L'évaluation de la stabilité d'une falaise reste un problème complexe, principalement en raison de la multiplic ité des mécanismes de déclenchement possibles et du manque de connaissances sur la structure interne du massif. Elle relève le plus souvent d 'un avis d'expert, basé sur des observations de terrain - morphologie du versant, mesure en surface des discontinuités, estimation du rôle de l'eau .. . Ces méthodes ont pour principal inconvénient de rester qualitatives, sans toujours préciser de critères objectifs clairs. La méthodologie proposée tente d'apporter des éléments quantitatifs et plus objectifs, tant dans le domaine spatial que dans le domaine temporel. Dans un premier temps, une analyse factorielle, réalisée sur un système d' information géographique, permet de tester la sensibilité de différents facteurs au déclenchement d'éboulements. Le croisement de ces facteurs aide ainsi à pointer, sur une zone d 'étude étendue, les sites les plus défavorables qui feront l'objet d'étude de terrain. Ensuite les instabilités potentielles repérées sur le terrain sont caractérisées au moyen d' une fiche qui recense les facteurs à prendre en compte . A chaque facteur (géométrique, mécanique,hydraulique ... ) est attribué un poids relatif, fonction du mécanisme d' instabilité en jeu, et un indice chiffré basé sur les observations de terrain. Une caractérisation ainsi quantifiée doit faciliter la hiérarchisation des instabilités potentielles selon leur niveau de risque. Pour renforcer cette caractérisation, dont la principale difficul té est l'extrapolation vers l' intérieur du massif des observations faites en surface, différentes méthodes de prospection géophysique sont testées sur des rebords de fala ise. La tomographie sismique met en évidence une zone de vitesse lente à l'arrière du front de fal aise, correspondant à une zone de fracturation plus ouverte. L'interférométrie radar quant à elle apporte une image de la continuité des fractures en profondeur et de leur espacement. Ces méthodes permettent d'estimer, en l'absence de géométrie claire, un volume maximum potentiellement instable. Enfin l'évaluation temporelle de l'occurrence des éboulements est abordée par une analyse statistique de la population d'événements connus sur une zone d'étude homogène. La distribution du nombre d'éboulements en fonction de leur volume s'aligne sur une loi puissance N(V)= aV-b pour des populations provenant de sites très différents - falaises calcaires de la région grenobloise, dômes granitiques de la va llée du Yosemite. Sans préjuger de ses implications sur la dynamique des phénomènes d'éboulement - analogue de la loi de Gutenberg-Richter pour les séismes- cette loi permet en première approche de calculer des périodes de retour d' éboulements de volume donné sur la région étudiée - analogue des crues décennales, centennales.

Ce travail est consacre au développement d'un outil numérique capable de modéliser la propagation 3D d'ondes sismiques à l'échelle du globe pour des distributions réalistes de vitesse et de densité. On considère les équations de l 'élastodynamique en milieu élastique isotrope et on inclut les effets de la gravité dans l'approximation de Cowling pour un état initial d'équilibre hydrostaotique. On présente d'abord une approximation aux différences finies pour modéliser la propagation des ondes S H longue période (~ 30 s) dans un manteau terrestre axisymétrique en négligeant la gravité. Dans cette description, on étudie l'effet de variations de topographie et de vitesse sur les ondes réfléchies sous les discontinuités du manteau. On développe ensuite une méthode d'éléments spectraux permettant la modélisation 3D du champ d'ondes complet en géométrie sphérique. On utilise un maillage hexaédrique non-conforme de la sphère qui s'adapte à la variation des paramètres élastiques du milieu. L'espace des multiplicateurs de Lagrange associés aux contraintes de continuité sur les interfaces non-conformes est discrétisé par une méthode de joints qui devient conforme en géométrie sphérique. La prise en compte de régions fluides est basée sur la construction d'un opérateur Dirichlet to Neumann qui couple la méthode des éléments spectraux à une méthode de sommation de modes. La méthoge est validée dans des milieux homogènes par couches puis pour des modèles de Terre moyens, en comparant les sismogrammes obtenus avec ceux calculés par une méthode de modes propres. L'implémentation parallèle et le coût de calcul de la méthode sont présentés et les perspectives sont discutées. La potentialité de la méthode permet d'envisager pour la première fois de modéliser la propagation du champ d'ondes complet dans des modèles de Terre 3D pour des périodes inférieures à 50 secondes.

La lithosphère continentale est physiquement et chimiquement segmentée. La cartographie des isotopes radiogéniques de roches plutoniques acides, représentatives de la croûte continentale, et de laves basiques, représentatives du manteau, possède des similarités avec la cartographie sismique de la lithosphère sous-jacente. Ces similitudes permettent d'interpréter les observations sismiques en étudiant leurs caractéristiques chimiques et leur âge. Les isotopes du plomb permettent de dater et d'identifier l'empilement de segments crustaux qui forment la croûte. L'écart des âges modèles du plomb avec d'autres systèmes identifie le recyclage crustal et le réchauffement de la croûte au dessus de la température du système plomb-plomb. Le système plomb-plomb donne également accès au sous-étudié rapport Th/U qui contraint la profondeur de la source des roches continentales. Certains échantillons de l'ouest U.S.A. proviennent de la croute inférieure, et se sont formés par l'extension crustale ou par un flux de matériel au sein de la croûte. Les isotopes du néodyme et de l'hafnium marquent la fusion du manteau lithosphérique enrichis sous le Colorado Plateau, une région où est observée le détachement du manteau lithosphérique sub-continental. Ce manteau fond par décompression adiabatique, par extension localisée ou remontée asthénosphérique engendrée par la convection locale. Au final, l'association des systèmes isotopiques du plomb, du néodyme, et de l'hafnium avec la sismologie est une approche puissante pour étudier la formation et la déformation de la lithosphère continentale.

La marge algérienne borde le bassin algérien, formé en position de bassin arrière-arc de la subduction Téthysienne. L'importance de l'étude du segment de marge qui s'étend de Ténès à Mostaganem sur environ 250 km, réside dans sa position charnière entre le domaine continental d'Alborán à l'Ouest et le bassin océanique algérien à l'Est. Dans ce travail nous avons déterminé pour la première fois, la structure et la nature de la croûte de ce segment, à partir de l'inversion tomographique des données de sismique grand-angle d'un profil N-S perpendiculaire à la marge. Grâce aux traitements des données de sismique réflexion multitrace acquises pendant la campagne SPIRAL et aux données industrielles, nous avons pu proposer un schéma tectonique régional et une cartographie de l'extension possible du socle Kabyle en mer. Les résultats révèlent une marge caractérisée par la juxtaposition d'une croûte océanique peu épaisse au nord et d'une croûte continentale amincie au sud de part et d'autre d'un accident vertical. L'ouverture du bassin océanique résulterait de la réponse à la déchirure du panneau lithosphérique en subduction sous Gibraltar, accompagné par la migration du bloc Alborán vers l'Ouest. La propagation de cette déchirure (STEP) a généré une zone de cisaillement qui se focalise dans zone de transition océan-continent. L'inversion tectonique qui affecte plus à l'Est la marge semble s'arrêter à la latitude de Ténès. Cette absence de déformation en mer coïncide avec une lacune de sismicité liée à la résistance mécanique de la marge. Par comparaison à d'autres régions du monde, seules les zones situées sur la croûte continentale pourraient présenter un potentiel pétrolier. / Located in North Africa, the Algerian margin is bordering the Algerian basin, formed in the back of the Tethyan subduction. The importance of the study of the segment extending from Tenes to Mostaganem over 250 km, lies in its pivotal position between the continental Alborán domain to the West and the Algerian Basin to the East. In this work, we determined for the first time, the structure and the crustal nature of this segment using the tomographic inversion of the seismic data recorded along a N-S wide-angle seismic profile shot perpendicular to the margin. Thanks to the multichannel reflection seismic data acquired during SPIRAL (2009), and to industrial data, we have proposed a regional tectonic pattern and the possible offshore extension of the kabylian basement The results reveal a margin characterized by the juxtaposition of a thin oceanic crust to the North and a slightly thinned continental crust to the South on either side of a major vertical accident. This suggests that the margin is formed in a strike-slip context. The opening of the oceanic basin should result from the response to the retreat and to the tear of the lithospheric slab beneath the Gibraltar subduction, accompanied by the westward migration of the Alborán block. The propagation of this lithospheric tearing (STEP) generated a zone of strike-slip along the narrow ocean-continent transition. The offshore absence of seismicity along our segment is connected to the mechanical resistance of the margin due to rapid change of crust nature. Owing the results and compared with other regions of the world, the areas which can likely present oil potential are the ones located on the continental crust.

La tomographie des temps de première arrivée vise à retrouver un modèle de vitesse de propagation des ondes sismiques à partir des temps de première arrivée mesurés. Cette technique nécessite la résolution d’un problème inverse afin d’obtenir un modèle sismique cohérent avec les données observées. Il s'agit d'un problème mal posé pour lequel il n'y a aucune garantie quant à l'unicité de la solution. L’approche bayésienne permet d’estimer la distribution spatiale de la vitesse de propagation des ondes sismiques. Il en résulte une meilleure quantification des incertitudes associées. Cependant l’approche reste relativement coûteuse en temps de calcul, les algorithmes de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) classiquement utilisés pour échantillonner la loi a posteriori des paramètres n'étant efficaces que pour un nombre raisonnable de paramètres. Elle demande, de ce fait, une réflexion à la fois sur la paramétrisation du modèle de vitesse afin de réduire la dimension du problème et sur la définition de la loi a priori des paramètres. Le sujet de cette thèse porte essentiellement sur cette problématique.Le premier modèle que nous considérons est basé sur un modèle de mosaïque aléatoire, le modèle de Jonhson-Mehl, dérivé des mosaïques de Voronoï déjà proposées en tomographie bayésienne. Contrairement à la mosaïque de Voronoï, les cellules de Johsnon-mehl ne sont pas forcément convexes et sont bornées par des portions d’hyperboloïdes, offrant ainsi des frontières lisses entre les cellules. Le deuxième modèle est, quant à lui, décrit par une combinaison linéaire de fonctions gaussiennes, centrées sur la réalisation d'un processus ponctuel de Poisson. Pour chaque modèle, nous présentons un exemple de validation sur des champs de vitesse simulés. Nous appliquons ensuite notre méthodologie à un modèle synthétique plus complexe qui sert de benchmark dans l'industrie pétrolière. Nous proposons enfin, un modèle de vitesse basé sur la théorie du compressive sensing pour reconstruire le champ de vitesse. Ce modèle, encore imparfait, ouvre plusieurs pistes de recherches futures.Dans ce travail, nous nous intéressons également à un jeu de données réelles acquises dans le contexte de la fracturation hydraulique. Nous développons dans ce contexte une méthode d'inférence bayésienne trans-dimensionnelle et hiérarchique afin de traiter efficacement la complexité du modèle à couches. / First arrival time tomography aims at inferring the seismic wave propagation velocity using experimental first arrival times. In our study, we rely on a Bayesian approach to estimate the wave velocity and the associated uncertainties. This approach incorporates the information provided by the data and the prior knowledge of the velocity model. Bayesian tomography allows for a better estimation of wave velocity as well asassociated uncertainties. However, this approach remains fairly expensive, and MCMC algorithms that are used to sample the posterior distribution are efficient only as long as the number of parameters remains within reason. Hence, their use requires a careful reflection both on the parameterization of the velocity model, in order to reduce the problem's dimension, and on the definition of the prior distribution of the parameters. In this thesis, we introduce new parsimonious parameterizations enabling to accurately reproduce the wave velocity field with the associated uncertainties.The first parametric model that we propose uses a random Johnson-Mehl tessellation, a variation of the Voronoï tessellation. The second one uses Gaussian kernels as basis functions. It is especially adapted to the detection of seismic wave velocity anomalies. Each anomaly isconsidered to be a linear combination of these basis functions localized at the realization of a Poisson point process. We first illustrate the tomography results with a synthetic velocity model, which contains two small anomalies. We then apply our methodology to a more advanced and more realistic synthetic model that serves as a benchmark in the oil industry. The tomography results reveal the ability of our algorithm to map the velocity heterogeneitieswith precision using few parameters. Finally, we propose a new parametric model based on the compressed sensing techniques. The first results are encouraging. However, the model still has some weakness related to the uncertainties estimation.In addition, we analyse real data in the context of induced microseismicity. In this context, we develop a trans-dimensional and hierarchical approach in order to deal with the full complexity of the layered model.

La tomographie sismique des temps de trajet est un problème d'optimisation mal-posé du fait de la non-linéarité entre les temps et le modèle de vitesse. Par ailleurs, l'unicité de la solution n'est pas garantie car les données peuvent être expliquées par de nombreux modèles. Les méthodes de Monte-Carlo par Chaînes de Markov qui échantillonnent l'espace des paramètres sont généralement appréciées pour répondre à cette problématique. Cependant, ces approches ne peuvent pleinement tirer partie des ressources computationnelles fournies par les super-calculateurs modernes. Dans cette thèse, je me propose de résoudre le problème de tomographie sismique à l'aide d'algorithmes évolutionnistes. Ce sont des méthodes d'optimisation stochastiques inspirées de l'évolution naturelle des espèces. Elles opèrent sur une population de modèles représentés par un ensemble d'individus qui évoluent suivant des processus stochastiques caractéristiques de l'évolution naturelle. Dès lors, la population de modèles peut être intrinsèquement évaluée en parallèle ce qui rend ces algorithmes particulièrement adaptés aux architectures des super-calculateurs. Je m'intéresse plus précisément aux trois algorithmes évolutionnistes les plus populaires, à savoir l'évolution différentielle, l'optimisation par essaim particulaire, et la stratégie d'évolution par adaptation de la matrice de covariance. Leur faisabilité est étudiée sur deux jeux de données différents: un jeu réel acquis dans le contexte de la fracturation hydraulique et un jeu synthétique de réfraction généré à partir du modèle de vitesse Marmousi réputé pour sa géologie structurale complexe. / Seismic traveltime tomography is an ill-posed optimization problem due to the non-linear relationship between traveltime and velocity model. Besides, the solution is not unique as many models are able to explain the observed data. The non-linearity and non-uniqueness issues are typically addressed by using methods relying on Monte Carlo Markov Chain that thoroughly sample the model parameter space. However, these approaches cannot fully handle the computer resources provided by modern supercomputers. In this thesis, I propose to solve seismic traveltime tomography problems using evolutionary algorithms which are population-based stochastic optimization methods inspired by the natural evolution of species. They operate on concurrent individuals within a population that represent independent models, and evolve through stochastic processes characterizing the different mechanisms involved in natural evolution. Therefore, the models within a population can be intrinsically evaluated in parallel which makes evolutionary algorithms particularly adapted to the parallel architecture of supercomputers. More specifically, the works presented in this manuscript emphasize on the three most popular evolutionary algorithms, namely Differential Evolution, Particle Swarm Optimization and Covariance Matrix Adaptation - Evolution Strategy. The feasibility of evolutionary algorithms to solve seismic tomography problems is assessed using two different data sets: a real data set acquired in the context of hydraulic fracturing and a synthetic refraction data set generated using the Marmousi velocity model that presents a complex geology structure.

Ce projet de recherche vise à accroître les connaissances sur les mécanismes contrôlant la déformation des glissements de terrain argileux grâce à la combinaison de la surveillance sismique passive et de la surveillance géodésique. Des études récentes ont démontré que la surveillance sismique peut fournir des informations intéressantes sur la mécanique des glissements de terrain et, dans certains cas, fournir des précurseurs utiles pour la prévision des défaillances. L’installation récente de sismomètres sur les glissements de terrain a révélé une variété de signaux sismiques de magnitude (ML $<$ 1) soupçonnée d'être générée par la déformation de la pente (chute, basculement, glissement, écoulement). Cette sismicité endogène doit être catégorisée. Une classification standard des sources sismiques endogènes est ainsi proposée ; l'objectif de cette norme est de pouvoir comparer l'activité sismique de plusieurs glissements de terrain et d'identifier les mécanismes générant ces signaux sismiques ainsi que leur corrélation avec les forçages externes. Plusieurs propriétés de signal (durée, contenu spectral et forme de spectrogramme) sont prises en compte pour décrire les différentes classes de signaux et permettre une comparaison générique. Les observations montrent que des signaux similaires enregistrés sur différents sites présentent les mêmes propriétés et les sources sismiques possibles sont discutées compte tenu du type de déformation observé sur les pentes étudiées. [...] / This research project aims at increasing knowledge on the mechanisms controlling the deformation of clayey landslides through the combination of passive seismic and geodetic monitoring. Recent studies have demonstrated that seismic monitoring is able to give interesting information on landslide mechanics and in some case to provide precursory patterns useful for failure forecasting. The recent installation of seismometers on landslides revealed a variety of seismic signals of law magnitude (ML $<$ 1) suspected to be generated by slope deformation (falling, toppling, sliding, flowing), weathering of the slope material or fluid circulation. This endogenous seismicity needs to be categorized. We thus proposed a standard classification of the endogenous seismic sources; the objective of this standard is to be able to compare the seismic activity of several landslides and identify the mechanisms generating these seismic signals as well as their correlation with external forcing. Several signal properties (i.e. duration, spectral content and spectrogram shape) are taken into account to describe the different class of signals and allow generic comparison. We observe that similar signals recorded at different sites present the same properties and discussed the possible seismic sources considering the type of deformation observed on the studied slopes. [...]