Prédire les mouvements du sol "en aveugle", c'est-à-dire générés par un séisme futur, est essentiel pour anticiper les dommages causés aux bâtiments. Cette thèse propose deux nouvelles approches, fondées sur la technique des fonctions de Green empiriques (FGE), pour calculer le mouvement sismique dans un milieu complexe, sur une large gamme de fréquences, et à partir d'un processus de rupture sur la faille réaliste. La première méthode utilise une représentation simple de la source (modèle de "crack"). Dans la seconde, la rupture est décrite par un modèle cinématique complexe en "k-2". De plus, afin de calculer le mouvement sismique basse fréquence, les FGE bruitées en dessous de 1 Hz sont remplacées par des simulations numériques par éléments spectraux 3D.<br />La difficulté principale pour simuler "en aveugle" est le choix des paramètres de la source (chute de contrainte, point de nucléation,...), mal contraints, et qu'il faudra pourtant estimer a priori. Ce choix contrôle le niveau médian et la variabilité du mouvement sismique. La première solution testée consiste à déterminer directement les lois de distribution de ces paramètres à partir des résultats issus de l'inversion cinématique. Afin de garantir que les niveaux simulés sont réalistes, nous proposons dans un second temps de calibrer les simulations par FGE en un site de référence au rocher en utilisant un modèle de prédiction empirique.<br />Les différentes méthodes sont appliquées pour simuler dans le bassin grenoblois un séisme de magnitude 5.5 à 15 km. La comparaison aux normes EC8 montre que les spectres réglementaires sont dépassés en certains points du bassin sédimentaire, à 0.3 Hz et autour de 0.2 Hz.

Les petits séismes ne sont pas destructeurs, ils font peu parler d'eux, pourtant ils sont très utiles. Ce mémoire d'HDR décrit à travers plusieurs travaux de recherche comment les petits séismes peuvent être utilisés pour (1) comprendre la source des séismes plus importants par un processus d'inversion des fonctions de Green empiriques (2) imager les failles actives grâce à des méthodes de localisation et relocalisation relative (3) prédire les mouvements du sol engendrés par des séismes majeurs à partir d'une méthode de simulation originale décrite en détail. Les travaux portent sur des séismes de magnitude 3 à 8 dans différentes régions du monde (Mexique, Antilles, Italie, Grèce, France).

L'une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L'objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l'approche des fonctions de Green empiriques et d'apporter des éléments pouvant aider au développement d'une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés : le séisme des Saintes Mw6.4 et le séisme de L'Aquila Mw6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d'accélérogrammes synthétiques d'un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d'un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. Cette approche a également été appliquée à la simulation d'un séisme historique pyrénéen Mw6.1. Dans une seconde partie, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites fractales avec l'approche des FGEs. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L'Aquila. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l'ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en œuvre d'une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d'entrée mal connus dans le cadre de la simulation d'un futur séisme.

L'évaluation de l’aléa sismique doit tenir compte des différents aspects qui interviennent dans le processus sismique et qui affectent le mouvement du sol en surface. Ces aspects peuvent être classés en trois grandes catégories : 1) les effets de source liés au processus de rupture et à la libération d'énergie sur la faille. 2) les effets liés à la propagation de l'énergie sismique à l'intérieur de la Terre. 3) l'influence des caractéristiques géotechniques des couches peu profondes ; appelé effet de site. Les effets de site sont pris en compte dans la mitigation des risques par l'évaluation de la réponse sismique du sol. Lors de sollicitations cycliques, le sol présente un comportement non-linéaire, ce qui signifie que la réponse dépendra non seulement des paramètres du sol mais aussi des caractéristiques du mouvement sismique (amplitude, contenu en fréquence, durée, etc.). Pour estimer la réponse non-linéaire du site, la pratique habituelle consiste à utiliser des simulations numériques avec une analyse linéaire équivalente ou une approche non-linéaire complète. Dans ce document, nous étudions l'influence du comportement non-linéaire du sol sur la réponse du site sismique en analysant les enregistrements sismiques des configurations des réseaux de forages. Nous utilisons les données du réseau Kiban Kyoshin (KiK-Net). Les 688 sites sont tous équipés de deux accéléromètres à trois composantes, l'un situé à la surface et l'autre en profondeur. À partir de ces données, nous calculons les amplifications du mouvement du sol depuis la surface jusqu'aux enregistrements en fond de puit à l'aide des rapports spectraux de Fourier. Une comparaison entre le rapport spectral pour le faible et le fort mouvement du sol est alors réalisée. Le principal effet du comportement non-linéaire du sol sur la fonction de transfert du site est un déplacement de l'amplification vers les basses fréquences. Nous proposons une nouvelle méthodologie et un nouveau paramètre appelé fsp pour quantifier ces changements et étudier les effets non-linéaires. Ces travaux permettent d'établir une relation site-dépendante entre le paramètre fsp et le paramètre d'intensité du mouvement du sol. La méthode est testée sur les données accélérométriques du séisme de Kumamoto (Mw 7.1, 2016). Nous proposons ensuite d’utiliser des corrélations entre moment seismic et la duration de la faille (Courboulex et al., 2016), obtenues à partir d’une base de données globale de fonctions source et une méthode basée sur l’approche des fonctions de Green empiriques (EGF) stochastiques pour simuler les mouvements forts du sol dus à un futur séisme. Cette méthodologie est appliquée à la simulation d’un séisme de subduction en Équateur et comparée aux données réelles du séisme de Pedernales (Mw 7.8, 16 avril 2016) dans la ville de Quito. Nous proposons enfin de combiner la méthode de simulation de mouvements forts par EGF et la prise en compte des effets non-linéaires proposée dans les premiers chapitres. La méthode est testée sur les données accélérométriques d’une réplique du séisme de Tohoku (Mw 7.9). / Seismic hazard assessments must consider different aspects that are involved in an earthquake process and affect the surface ground motion. Those aspects can be classified into three main kinds. 1) the source effects are related to the rupture process and the release of energy. 2) the path effects related to the propagation of energy inside Earth. 3) the influence of the shallow layers geotechnical characteristics; the so-called site-effects. The site effects are considered in risk mitigation through the evaluation of the seismic soil response. Under cyclic solicitations the soil shows a non-linear behavior, meaning that the response will not only depend on soil parameters but also on seismic motion input characteristics (amplitude, frequency content, duration, …). To estimate the non-linear site response, the usual practice is to use numerical simulations with equivalent linear analysis or truly non-linear time domain approach. In this document, we study the influence of the nonlinear soil behavior on the seismic site response by analyzing the earthquake recordings from borehole array configurations. We use the Kiban Kyoshin network (KiK-Net) data. All 688 sites are instrumented with two 3-components accelerometers, one located at the surface and the another at depth. From these data, we compute the ground motion amplifications from the surface to downhole recordings by the computing Fourier spectral ratios for the aim to compare between the spectral ratio for weak and strong ground motion. The main effect of the non-linear behavior of the soil on the site transfer function is a shift of the amplification towards lower frequencies. We propose a new methodology to quantify those changes and study the nonlinear effects. This work results in a site-dependent relationship between the changes in the site response and the intensity parameter of the ground motion. The method is tested analyzing the records of the earthquake of Kumamoto (Mw 7.1, 2016). Posteriorly, we propose to integrate a correlation between seismic moment and the duration of the fault (Courboulex et al., 2016) in the empirical Green’s function method. This methodology was applied to simulate one seduction event in Equator, and we compare the results with the records of the Pedernales earthquake (Mw 7.8, 2016) in the city of Quito. We attempt to take in account the nonlinear effects in the empirical Green’s function method. We use the methodologies of the first part of this document based on the frequency shift parameter. The procedure could be implemented in other methodologies that can predict an earthquake at a rock reference site, such as the stochastic methods. We test the procedure using the accelerometric records for one of the aftershocks o the Tôhoku earthquake (Mw 7.9).

L’une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L’objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l’approche des fonctions de Green empiriques et d’apporter des éléments pouvant aider au développement d’une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés : le séisme des Saintes Mw6.4 et le séisme de L’Aquila Mw6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d’accélérogrammes synthétiques d’un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d’un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. Cette approche a également été appliquée à la simulation d’un séisme historique pyrénéen Mw6.1. Dans une seconde partie, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites fractales avec l’approche des FGEs. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L’Aquila. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l’ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en œuvre d’une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d’entrée mal connus dans le cadre de la simulation d’un futur séisme. / One of the major scientific problems in seismology is to estimate the ground motions expected at a given site from a future earthquake. The aim of this thesis is to test and validate two different methods of ground motions simulation based on the empirical Green’s function approach and to provide elements that can help to develop a blind simulation methodology. In a first part, a simulation method based on a stochastic point source approach is validated on the real data of recent earthquakes well instrumented : the Les Saintes earthquake Mw6.4 and the L’Aquila earthquake Mw6.3. We have developed a blind simulation approach by taking into account an uncertainty on the parameter of stress drop ratio C. This approach allows to generate a set of synthetic accelerograms of a target earthquake varied enough to be representative of a large number of possible source scenario and taking into account in a statistical sense potential directivity effects. This approach is also applied to the simulation of an historical Pyrenean earthquake Mw6.1. In a second part, we use a more complex extended source model, combining kinematic models of fractal composite sources with EGF approach. The potential of the method is tested on an application to L’Aquila earthquake. This has produced very satisfying results on all ground motion parameters analyzed. This simulation method appears to be very promising for the implementation of a blind simulation methodology, even if the main difficulty lies in the need to define the variability of many poorly known input parameters in the simulation of a future earthquake.

La prédiction des mouvements du sol générés par un séisme est un enjeu majeur pour la prise en compte du risque sismique. C’est l’un des objectifs du projet SIGMA dans le cadre duquel j’ai réalisé ma thèse. Celle-ci se compose de deux parties. La première se concentre sur la dépendance à la magnitude de la décroissance des paramètres des mouvements du sol avec la distance. Celle-ci est un sujet de préoccupation aussi bien pour l’utilisation des relations d’atténuation (GMPEs), que pour les méthodes basées sur l’utilisation de petits évènements en tant que fonctions de Green empiriques. Nous avons démontré qu’aux distances les plus faibles (inférieures à la longueur de la faille), l'effet de saturation dû aux dimensions de la faille est prépondérant. Aux distances plus importantes, l'effet de l’atténuation anélastique devient prépondérant. Nous avons donc montré qu’il pouvait être délicat de mélanger des données de différentes régions dans les GMPEs, et validé l’utilisation des fonctions de Green empiriques à toutes les distances. Dans la deuxième partie sont testées 3 différentes méthodes de simulations dans un contexte complexe : un code combinant une source étendue en k2 et des EGFs, un code point-source EGFs et un code stochastique. Nous avons choisi de travailler sur le séisme de magnitude Mw 5.9 (29 mai 2012) situé dans un bassin sédimentaire profond (la plaine du Po), et qui a engendré des sismogrammes souvent dominés par les ondes de surface. On y démontre que sans connaissance à priori du milieu de propagation, les méthodes basées sur des EGF permettent de reproduire les ondes de surface, les valeurs de PGA, de PGV, ainsi que les durées des signaux générés. / The prediction of ground motion generated by an earthquake is a major issue for the consideration of seismic risk. This is one of the objectives of SIGMA project in which I realized my thesis. It consists of two parts. The first focuses on the magnitude dependence of the ground motion parameters decay with distance. This is a concern both for the use of relation of attenuation (GMPEs) than methods based on the use of small events as empirical Green functions. We have shown that as the shorter distances (less than the length of the fault), the saturation effect due to the fault size is preponderant. For larger distances, it’s the eanelastic attenuation effect which becomes predominant. So we have shown that it can be tricky to mix data from different regions in GMPEs and we validated the use of empirical Green functions at every distance. In the second part are tested three different simulation methods in a complex context: a code combining finite fault source in k2 and EGFs, a point-source code with EGFs and a stochastic code. We chose to work on the Mw 5.9 earthquake (May 29, 2012) which occurs in a deep sedimentary basin (the Po plain), and which has generated seismograms often dominated by surface waves. We show that without a priori knowledge of the propagation medium, methods based on EGFs can reproduce surface waves, the values of PGA, PGV, and the durations of the signals generated.

L'une des problématique scientifique majeure en sismologie est de pouvoir estimer les mouvements du sol attendus en un site pour un futur séisme. L'objectif de cette thèse est de tester et de valider deux méthodes de simulation des mouvements du sol basées sur l'approche des fonctions de Green empiriques (FGEs) et d'apporter des éléments pouvant aider au développement d'une méthodologie de simulation en aveugle. Dans une première partie, une méthode de simulation basée sur une approche stochastique en point-source est validée sur les données réelles de séismes récents bien instrumentés. Profitant de la disponibilité d'enregistrements de petits séismes de bonne qualité pouvant être utilisés comme FGEs, deux applications sont réalisées : une application au séisme des Saintes Mw = 6.4 et une application au séisme de L'Aquila Mw = 6.3. Nous avons développé une approche de simulation en aveugle en prenant en compte une incertitude sur le paramètre de rapport des chutes de contrainte C. Cette approche permet de générer un ensemble d'accélérogrammes synthétiques d'un séisme cible suffisamment variés pour être représentatifs d'un grand nombre de scénarios de sources possibles et prenant en compte dans un sens statistique de potentiels effets de directivité. De plus, la variabilité des mouvements du sol produite par notre approche de simulation en aveugle est cohérente avec la variabilité des prédictions des mouvements du sol purement empiriques. En se plaçant dans un vrai contexte de simulation en aveugle, cette approche a également été appliquée à la simulation d'un séisme historique pyrénéen Mw = 6.1. Dans une seconde partie, afin de se rapprocher des connaissances actuelles sur la complexité de la cinématique d'une source sismique, nous nous appuyons sur un modèle de source étendue plus complexe, combinant des modèles cinématiques de sources composites à distribution fractale avec l'approche des FGEs pour produire des accélérogrammes synthétiques large-bande. Le potentiel de la méthode est testé sur une application au séisme de L'Aquila en fixant les paramètres d'entrée donnant la meilleure opportunité de reproduire les enregistrements du séisme cible. Cela a permis de produire des résultats très satisfaisants sur l'ensemble des paramètres des mouvements du sol analysés. Cette méthode de simulation apparaît comme étant très prometteuse pour la mise en oeuvre d'une méthodologie de simulation en aveugle, même si la principale difficulté réside dans la nécessité de définir la variabilité de nombreux paramètres d'entrée mal connus dans le cadre de la simulation d'un futur séisme.