Le travail réalisé pendant cette thèse a permis d'apporter de nouvelles contraintes sur le développement et la distribution de la déformation dans le manteau supérieur et plus particulièrement au niveau des grandes limites de plaques décrochantes. Grâce à l'apport de l'expérience USArray et d'une dizaine d'années d'enregistrements sismologiques supplémentaires, nous avons pu étudier, de manière précise, les variations d'anisotropie dans le voisinage de la Faille de San Andreas. Nous avons confirmé et étendu l'observation de deux couches anisotropes sous cette limite de plaque. On y observe une première couche localisée dans la lithosphère marquant la déformation induite à la limite de plaque, et une autre, asthénosphérique, cohérente avec l'anisotropie observée loin de la faille et d'origine plus discutée. Nous avons montré que la zone de déformation associée aux failles de San Andreas, Calaveras et d'Hayward a, vraisemblablement, une largeur d'au moins 40 kilomètres en base de lithosphère, sous chacune de ces failles. Nous avons ensuite procédé à la modélisation thermomécanique (ADELI) de la migration d'une limite de plaques décrochante couplée à une modélisation du développement de fabriques cristallographiques par une approche viscoplastique auto-cohérente (VPSC). Ceci nous a permis d'y observer le développement de la déformation et les conséquences des possibles interactions entre la déformation décrochante en surface et le cisaillement en base de lithosphère dû au déplacement horizontal des plaques. Les propriétés élastiques déduites des fabriques cristallographiques modélisées montrent que de telles interactions existent et provoquent, sous la limite de plaques, une rotation des orientations cristallographiques avec la profondeur. Le signal associé à ces rotations progressives n'est toutefois pas cohérent avec la présence de deux couches d'anisotropie comme proposée sous la faille de San Andreas. Nous pensons par conséquent qu'il existe, sous la Californie, une zone de découplage entre la lithosphère et l'asthénosphère, permettant d'individualiser une déformation lithosphérique d'une déformation asthénosphérique. Nous estimons, en outre, que l'anisotropie observée dans l'asthénosphère sous la Californie ne peut être expliquée seulement par le cisaillement induit par le déplacement de la lithosphère Nord Amérique. En effet, les propriétés anisotropes obtenues par modélisation à partir d'une plaque se déplaçant dans une direction et une vitesse proche de celle de la plaque Amérique du Nord montrent qu'on ne peut espérer guère plus que quelques dixièmes de seconde de délai au bout de 10 Ma de déplacement. Les déphasages mesurés en Californie étant de l'ordre de 1,5 s, il est donc nécessaire d'invoquer la présence d'écoulements mantelliques actifs sous cette région.

L'étude géologique du massif de fondation du futur barrage de Puylaurent (Massif Central français) a été menée en considérant que la connaissance de l'organisation structurale régionale est fondamentale pour l'interprétation des caractéristiques géotechniques du massif rocheux. Pour cela, les épisodes tectoniques qui ont faconné la région ont été analysés; ainsi ont été établis la genèse, la géométrie et les jeux des accidents résultants. Une étude structurale fine du massif rocheux cristallophyllien qui constitue la fondation du barrage a permis d'établir, outre la géométrie des déformations qu'il a subies, une filiation hiérarchique et chronologique avec les discontinuités régionales. L'existence éventuelle d'anisotropie de contraintes actuelles a été recherchée au moyen de mécanisme au foyer de séismes, de mesures de contraintes in situ et de mesures de vitesses sismisques. Celles-ci ont réussi à mettre en évidence une direction de sollicitation actuelle N*S à NNE-SSW. la confrontation des données géologiques et des résultats de travaux de reconnaissance (sondages, essais Lugeon, galeries) montre divers cas où une perméabilité élevée du massif de fondation est liée à l'orientation des sollicitations actuelles.

Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d'un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d'inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d'arrivée des ondes P et S); et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont: une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l'isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu'il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l'angle d'orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l'azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d'un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques.

La circulation de matière et la signature sismique des zones de subduction sont fortement dépendantes despropriétés élastiques de deux grands types de minéraux hydratés : les serpentines (antigorite, lizardite etchrysotile) provenant de l'hydratation des minéraux du manteau et le glaucophane, minéral marqueur des schistesbleus et éclogites, faciès métamorphiques caractéristiques des zones de subduction. La détection de ces phasesest parfois difficile. Il est nécessaire de connaître leurs propriétés élastiques afin de mieux comprendre lesimages sismiques acquises. L'objectif de cette thèse est de mesurer et de calculer les propriétés élastiques deminéraux hydratés par la spectroscopie Brillouin (dans le cas de l'antigorite et du glaucophane) et par les calculsab initio (pour la lizardite). Caractériser au mieux ces propriétés permet de les relier à la sismicité dans les zonesde subduction et notamment aux zones de faibles vitesses détectées par diverses méthodes sismiques. Nosmesures ont été réalisées à l'ambiante pour l'antigorite et le glaucophane et à haute pression pour l'antigorite encellule à enclumes de diamants. Les mesures élastiques ont ensuite été couplées à des mesures d'orientationspréférentielles par Electron Back-Scattered Diffraction. Ceci a permis de quantifier l'anisotropie élevée(AVP=37% et AVS=50%) dans la roche totale ainsi que les vitesses sismiques faibles des ondes P et S. Nousavons pu ainsi relier le décalage des ondes S aux retards observés par sismique dans la zone de subduction deRyukyu (Japon). Les observations sismiques montrent que la serpentine est présente dans les zones où lasismicité est faible et apparaît non seulement comme un minéral essentiel des zones de subduction mais en pluscomme un "lubrifiant" permettant aux couches de glisser les unes sur les autres sans engendrer de séismes. Pourle glaucophane, les schistes bleus présentent une anisotropie plus élevée que les éclogites à glaucophane maisces roches sont toutefois difficiles à détecter avec la profondeur, du fait de leurs vitesses élevées comparables àcelles du manteau environnant. Nos calculs par méthode ab initio portent sur un analogue de l'antigorite, lalizardite pour laquelle nous avons établi les constantes élastiques à diverses pressions et en présence de fer ounon. Nous avons mis en évidence une anomalie élastique vers 5 GPa pour la lizardite et 7 GPa pour l'antigorite,que nous avons confirmée ensuite par des mesures de spectroscopies Brillouin et Raman à haute pression.

Cette thèse regroupe deux études distinctes, qui documentent le contrôle des microstructures sur les propriétés sismiques des roches. La première partie traite du développement des orientations préférentielles cristallographiques (OPC) dans le manteau supérieur, associé aux interactions liquide/magma-roche, enregistré dans des xénolites de péridotites du bassin d'arrière-arc de la mer du Japon. Les caractéristiques microstucturales et géochimiques des échantillons étudiés montrent que l'ouverture arrière-arc active est associée à une déformation du manteau supérieure similaire à celle observée dans l'ophiolite d'Oman. L'initiation de l'extension d'arrière-arc n'est pas associée à de fortes interactions entre percolation magmatique et déformation, en comparaison avec les zones de rifting continentales, probablement en raison des taille et durée relativement petites de l'épisode d'ouverture. La seconde partie présente une base de données unique d'OPC de plagioclase de roches mafiques plus ou moins déformées. Les OPC sont classées en 3 types principaux; leurs caractéristiques en fonction du régime de déformation (magmatique ou plastique) sont présentées et discutées. Les propriétés sismiques calculées des roches gabbroiques montrent que l'anisotropie tend à croitre avec l'intensité des fabriques, bien qu'elle soit généralement faible, en raison des effets opposés des olivines/clinopyroxènes et du plagioclase. / This thesis compiles two distinct studies that both document the control of microstructures on rock seismic properties. The first part deals with the development of crystallographic preferred orientations (CPO) in the uppermost mantle associated with melt/fluid-rock interactions, recorded in peridotites xenoliths from the Japan sea back-arc basin. The microstructural and geochemical characteristics of the studied samples reveal that active spreading is associated to uppermost mantle deformation similar to that observed in the Oman ophiolite. At the onset of back-arc spreading, there are no strong interactions between melt percolation and deformation in comparison to continental rift zones, probably due to the relatively small size and short duration of the spreading event. The second part presents a unique database of plagioclase CPO from variously deformed mafic rocks. CPO are grouped in three main types; their characteristics as a function of deformation regime (magmatic or crystal-plastic) are outlined and discussed. Calculated seismic properties of gabbroic rocks show that anisotropy tends to increase as a function of fabric strength, although it is generally weak, due to the competing effect of olivine/clinopyroxene and plagioclase.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d'un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d'inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d’arrivée des ondes P et S); et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont: une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l'isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu'il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l'angle d'orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l'azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d'un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques. / Les résultats présentés dans ce document portent sur les anisotropies sismique et électrique d'un massif calcaire fracturé dans des galeries parallèles souterraines. Les fractures étant orientées verticalement, leurs propriétés sont approximées par isotropie transverse horizontale (HTI). Plusieurs méthodes d'inversion ont été étudié pour traiter les données sismiques (temps d’arrivée des ondes P et S); et pour traiter les données de résistivité électrique mesuré dans une configuration pôle-pôle (valeur de potentiel mesuré).Pour traiter les données sismiques (quatre campagnes), les méthodes étudiées dans ce document sont: une tomographie isotrope, une approximation de cosinus, une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de la matrice de rigidité (de l'isotropie transverse horizontale) et une tomographie anisotrope pour un milieu avec une isotropie transverse inclinée. Toutes les méthodes conduisent à la conclusion qu'il y a effectivement une anisotropie présente dans le massif rocheux et confirment la direction de la vélocité maximale parallèle à la direction de la fracturation. Une forte anisotropie de 15 % est présente dans la zone étudiée.Pour traiter les données électriques (deux campagnes), les méthodes étudiées sont une approximation de cosinus et une inversion anisotrope basée sur l'algorithme Monte-Carlo pour les paramètres de résistivité transversale ρT, de résistivité longitudinale ρL et de l'angle d'orientation du modèle par rapport au système de référence. La présence à 180° de deux maxima de résistivité apparente par rapport à l'azimut de mesure ne peuvent être modélisés par des approches conventionnelles. Une modélisation conceptuelle d'un maillage des fils conducteurs dans un milieu non conducteur a été développé et montre des résultats prometteurs, avec le succès de la modélisation des deux maxima.Des mesures répétées montrent de légères variations de résistivité apparentes et des variations des ondes P. Les variations des ondes S ne sont pas prononcés, ce qui reflète un changement de la saturation en eau. La porosité de 10-15% est estimé à partir des mesures sismiques.

Les sismologues ont révélé l'existence d'une anisotropie sismique complexe dans la graine terrestre. Cette thèse, en deux parties, présente deux approches différentes pour, d'une part, expliquer l'existence de cette anisotropie avec des modèles de graine numérique et, d'autre part, étudier l'effet des transformations de phase sur cette anisotropie.Dans un premier temps, nous avons construit un outil de simulation de la propagation des rais sismiques à travers une graine numérique, afin d'étudier la possibilité de reproduire numériquement les données sismologiques et de contraindre la dynamique et la minéralogie de la graine. Nous concluons qu'aucune structure du fer cubique ne permet de développer une anisotropie sismique significative. Seule la structure hexagonale compacte permet de le faire. Parmi les modèles géodynamiques quadripolaires étudiés, la croissance équatoriale préférentielle est le processus dynamique qui présente le meilleur accord avec les observations de dépendance à la profondeur et d'anisotropie polaire. L'ajout d'une stratification chimique permet d'amplifier d'environ 40% l'anisotropie globale mais augmente la dispersion des résidus sismiques, ce qui n'est pas conforme aux observations de dépendance à la profondeur. Enfin, une croissance dendritique (texture de solidification) est peu compatible avec une anisotropie principale Nord-Sud. Il apparaît clairement qu'aucun de ces modèles géodynamiques ne permet d'obtenir une amplitude d'anisotropie suffisante en utilisant les propriétés élastiques publiées pour le fer dans la graine. A l'issue de ce travail, de nombreux autres processus dynamiques restent encore à étudier, tels que les forces de Lorentz et la translation-convection thermique, processus bipolaire qui présente un fort intérêt pour la caractérisation de la composante hémisphérique de l'anisotropie sismique.Dans un deuxième temps, nous avons procédé à des expériences de transition de phase α-ε (fer cubique centré vers fer hexagonal compact) dans le fer pur. Nous avons simulé les textures résultantes à l'aide du mécanisme de Burgers. Nous avons confronté nos simulations aux résultats expérimentaux. Nous avons pu confirmer la validité du mécanisme de transformation de Burgers. Nous avons trouvé une forte sélection de variant sous l'effet de la contrainte non-hydrostatique dans le sens direct α→ε, produisant de fortes textures. Dans le sens inverse ε→α, on observe des textures finales très faibles, voire aléatoires. Appliqués avec prudence au cas de la graine terrestre, nos résultats indiquent que la transformation de phase du fer hexagonal à cubique ne peut pas expliquer la forte anisotropie observée. Nous avons aussi noté une mémoire de texture partielle, déjà documentée pour d'autres métaux de transition. Enfin, nous avons procédé à des tests préliminaires en cellule diamant en rotation. Les résultats de ces expériences de cisaillement ont également montré un très bon accord avec les simulations fondées sur le mécanisme de Burgers. En revanche, nous avons pu constater de grands écarts entre nos résultats expérimentaux et les simulations en cisaillement présentées dans la littérature [Levitas et al., 2010], notamment en termes de gradient de contraintes. / Seismologists revealed the existence of a complex seismic anisotropy in the Earth's inner core. In this thesis we took two different approaches in order to characterize the anisotropy: in a first part, we tried to explain this anisotropy using formation models of inner core and, in a second part, we considered the impact of eventual phase transitions on anisotropy.Firstly, we simulate the propagation of seismic rays through a numerically grown inner core, in order to measure the seismic anisotropy to compare with actual observations and to constrain the dynamics and mineralogy of the inner core. We conclude that no cubic structure of iron may produce a significant global anisotropy. Only the hexagonal compact phase of iron may produce a measurable signal. Considering a panel of quadripolar geodynamical models, we observe that simple preferential equatorial growth is the most consistent with seismological observations of a polar anisotropy and depth dependence of seismic residuals. Chemical stratification amplifies the global anisotropy by about 40%, but at the same time increases the scatter of residuals in a way that is poorly compatible with the observed depth dependence. Finally the addition of dendritic growth (solidification texture) prohibits the emergence of a first order North-South anisotropy. Independently of the geodynamical model it appears clearly that none of these geodynamical models the development of an anisotropy consistent with observations when using the published elastic properties of iron at inner core conditions. Following this work, several geodynamical models remain to be studied such as magnetic forcing (Lorentz forces). Models involving translation-thermal convection are of great interest as they may account for the hemispherical component of the seismic anisotropy.Secondly, we performed experiments on the α-ε (cubic centered to hexagonal compact iron) phase transition in pure iron. We compare our experimental texture results with our simulations of the transformation considering Burgers mechanism. We confirm here the Burgers atomic path as the mechanism activated during the α-ε transformation in iron. We find direct evidence of a strong variant selection controlled by non-hydrostatic stresses in the diamond anvil cell during the forward α→ε transformation, producing strong textures. The opposite will occur with the reverse ε→α phase transition where an almost complete randomization is to be expected. Our observations can be applied with some caution to the Earth's inner core and show that the strong seismic anisotropy in the inner core may not be explained by the occurrence of a hexagonal to cubic phase transition in the inner core. A limited texture memory effect was brought into light, already documented for other transition metals. At last, we performed a preliminary study on the effect of shear on the α-ε phase transition in pure iron using a rotational cell. Again the α-ε phase transformation in iron can be modelized by the Burgers mechanism. We find that simulations in the literature [Levitas et al., 2010] fail to reproduce our experimental results, particularly in terms of stress field.

En étudiant la propagation des ondes de volume, nous pouvons d'une part oaractériser les variations brutales des propriétés physiques des matériaux et d'autre part évaluer l'anisotropie du manteau. Le calcul des fonctions de transfert apporte une normalisation des signaux sismologiques en supprimant les effets de la source et de la propagation des ondes au voisinage de celle-ci et en isolant les phases converties PS sous le point d'enregistrement. Plusieurs traitements ont été appliqués aux fonctions de transfert obtenues à partir des enregistrements du réseau TGRS installé à partir de 1995 dans le sud des Alpes françaises et la Corse. Afin de compléter les données, nous avons déployé des stations temporaires dans le cadre du programme Géofrance 3D. L'étude conjointe de la fonne des composantes longitudinales et transverses de ces fonctions a permis de mettre en évidence une croûte anormalement. fine, sous l'extrême sud-est de la France, accompagnée d'une géométrie complexe de l'interface croûte/manteau. Nous montrons également les fortes variations de profondeur des principales discontinuités du manteau supérieur entre le sud *de l'Europe occidentale et l'Afrique du nord. Nous observons ainsi un approfondissement significatif de la discontinuité "410" entre les Alpes Maritimes et le sud algérien tandis que dans un même temps, l'interface "670" s'élève d'une trentaine de kilomètres. Les données sismologiques acquises lors de la campagne BROADVES nous ont permis d'observer un pendage vers le nord-est du Moho sous la région du Vésuve (Italie). D'autre part, un deuxième réflecteur plus profond est interprété comme la trace fossile d'une subduction européenne. Dans le sud des Alpes occidentales, l'analyse de l'anisotropie du manteau est menée à partir de l'observation de la biréfringence des ondes SKS. Les données elliptiques que nous étudions foumissent une direction d'axe rapide et un délai moyen pour la région. Les résultats obtenus aux stations sont très homogènes mais ne correspondent pas au mouvement absolu des plaques prédit par le modèle NNRNUVEL1. La direction de l'axe rapide NI 0° refléterait ainsi la déformation de la lithosphère et non la direction d'écoulement du manteau à sa base. Le délai moyen obtenu permet d'estimer l'épaisseur de la zone anisotrope à 130 kilomètres.