L'objectif de cette thèse était de caractériser la déformation récente, tant dans son style que dans son partitionnement, d'un arc orogénique lent à travers une approche pluridisciplinaire à grande échelle.La déformation récente et actuelle de l'arc du Jura a été caractérisée par l'analyse des indices géomorphologiques le long des profils de rivières ainsi qu'à travers le traitement des données sismiques et géodésiques. Les essais de caractérisation et de datation des évènements tectoniques et sismiques à travers l'analyse des failles décrochantes tardives et des enregistrements spéléologiques n'ont pas permis d'apporter de nouvelles données sur la néotectonique du Jura. Cependant la combinaison des données et observations géomorphologiques, géophysiques et géodésiques confrontée aux données des précédentes études nous permets de proposer un modèle de répartition de la déformation dans le système orogénique Alpes occidentales-Jura. [...] / No abstract available.

Les infrastructures de transport jouent un rôle majeur dans le développement socio-économique des régions nordiques. La construction de remblais combinés aux changements climatiques engendrent des impacts négatifs sur le pergélisol sous-jacent, causant la dégradation des infrastructures. Des techniques de mitigation ont été proposées et testées pour limiter la dégradation du pergélisol. Toutefois, il y a peu d'informations disponibles sur les procédures de conception ou sur des lignes directrices. Le but de cette recherche est de développer des outils d'ingénierie améliorés pour les techniques de stabilisation convectives, se concentrant sur le remblai à convection d'air (ACE) et le drain thermique. Plus spécifiquement, l'approche du bilan thermique est proposée pour déterminer la condition thermique de remblais conventionnels et pour permettre la sélection de la technique de mitigation la plus appropriée pour extraire la chaleur en excès transmise au sol, si le système est actuellement instable, ou pour donner un facteur de sécurité considérant une instabilité future estimée. Quatre modèles thermiques ont été développés et calibrés à partir de données mesurées sur des sites expérimentaux. Un abaque de bilan thermique pour les remblais conventionnels ainsi que plusieurs abaques de capacité d'extraction de chaleur pour l'ACE et le drain thermique ont été développés et validés utilisant, respectivement, des simulations numériques et les données de sites d'essais du Yukon et du Nord du Québec, Canada. Ces abaques permettent aux concepteurs et ingénieurs de concevoir des remblais à convection d'air et des drains thermiques optimisés pour limiter, ou même éviter, le dégel du pergélisol à des sites spécifiques. / Transportation infrastructure plays a vital role in the social and economic development of northern regions. The construction of embankments and climate change can lead to negative impacts on the underlying permafrost, causing degradation of the infrastructure. Mitigation techniques have been proposed and tested to limit permafrost degradation. However, there is limited information on the design procedures or guidelines. The purpose of this research is to develop improved engineering tools for convective stabilization techniques, focussing on air convection embankment (ACE) and heat drain. More specifically, the heat balance approach is proposed to determine the thermal condition of conventional embankments and to allow the selection of suitable mitigation techniques to extract the amount of extra heat flowing into the foundation, if the system is currently unstable, or give a safety factor considering estimated future instability. Four thermal models have been built and calibrated with field data from experimental sites. One heat balance chart for conventional embankments and, several heat extraction capacity charts for ACE and heat drain have been developed using numerical simulations and have been validated using data from test sites in Yukon and Northern Quebec, Canada. These charts allow designers and engineers to design optimized ACE and heat drain to limit or even avoid the thawing of permafrost at specific sites.

Les méthodes sismiques peuvent jouer un rôle clé dans notre adaptation aux changements climatiques en permettant d'évaluer les caractéristiques géotechniques des sols, de surveiller les contaminants ou de caractériser les aquifères en vue d'une utilisation durable de l'eau potable. En particulier, le profilage sismique vertical possède la capacité d'imager des volumes de matériau autour du trou de forage (3D-VSP) à une résolution et à une échelle qui ne peuvent être atteintes avec d'autres méthodes d'imagerie géophysique. Cependant, les outils actuellement disponibles sur le marché sont développés majoritairement pour les applications pétrolière et gazière. De plus, la complexité et la propriété intellectuelle reliées à ces outils font de ceux-ci des boîtes noires pour la plupart des utilisateurs. Cette situation freine l'utilisation du profilage sismique vertical dans des applications géotechnique, hydrogéologique et minière. Afin de remédier à ce problème, les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire visent l'introduction d'instruments sismiques multicomposants, abordables, modulaires et légers qui peuvent être déployés facilement par les chercheurs et les praticiens. Le petit diamètre de l'outil et son libre accès sont des éléments clés qui vont permettre son utilisation dans plusieurs applications à des coûts raisonnables. Le système d'acquisition sismique développé est basé sur des accéléromètres très sensibles et compacts. Celui-ci a été comparé avec un numériseur de référence lors de tests en laboratoire et sur le terrain. Il affiche des performances égales et même supérieures dans le cas de signaux haute fréquence. L'outil développé est modulaire et la flexibilité de ses composants permet de le modifier facilement pour l'adapter à de nombreux autres projets d'instrumentation géophysique. Nous croyons que le système développé sous le nom de Geophysical Open Seismic Hardware représente le premier d'une série d'outils en libre accès qui contribueront à démocratiser l'utilisation de la géophysique. / Seismic methods play a key role in our adaptation to climate change by allowing us to assess geotechnical characteristics of soils, monitor contaminants, or characterize aquifers for sustainable drinking water usage. In particular, vertical seismic profiling has the ability to image volumes of material around the borehole (3D-VSP) at a resolution and scale that cannot be achieved with other geophysical imaging methods. However, the tools currently available on the market are mainly developed for oil and gas applications. In addition, the complexity and intellectual property associated with these tools have made them black boxes for most users. This situation has hindered the use of vertical seismic profiling in geotechnical, hydrogeological and mining applications. To address this problem, the work in this thesis aims to introduce affordable, modular, and lightweight multi-component seismic instruments that can be easily deployed by researchers and practitioners. The small diameter of the tool and its open access are key elements that will allow its use in several applications at reasonable costs. The seismic acquisition system developed is based on highly sensitive and compact accelerometers. It has been compared with a reference digitizer in laboratory and field tests. The latter shows equal and even better performances in the case of high frequency signals. The tool developed is modular and the flexibility of its components allows it to be easily modified to accomodate many other geophysical instrumentation projects. We believe that the developed system (Geophysical Open Seismic Hardware) represents the first of a series of open source tools that will democratize the use of geophysics.

Des mesures sismiques à faible profondeur ont été réalisées dans le cadre d’une étude hydrogéophysique en Outaouais pour investiguer le sous-sol. À cet effet, une approche intégrée qui regroupe plusieurs méthodes de traitement du signal sismique a été développée. Dans cette approche, l’ensemble des modes de propagation sismique est considéré en effectuant l’analyse conjointe des ondes de surface, des ondes réfractées critiquement et des ondes réfléchies de compression P et de cisaillement polarisées verticalement SV. Cette approche intégrée est beaucoup plus robuste que si chaque méthode était considérée séparément. Elle permet d’estimer la distribution spatiale des vitesses de propagation des ondes P et S de la sous-surface et d’obtenir des profils en réflexion qui permettent d’identifier les contacts stratigraphiques. Quatre études de cas dans la région de l’Outaouais sont présentées pour illustrer cette approche. Pour l’une de ces études à Buckingham, un essai de pénétration au piézocône sismique a été réalisé afin de valider les modèles de vitesse obtenus à partir de l’approche développée. Cette approche intégrée est applicable entre autres aux domaines de l’environnement, de la géotechnique, des risques naturels et de l’hydrogéologie.

Cette étude a été motivée par un constat : malgré sa capacité à reconnaître les sites, la géophysique est absente des méthodes couramment utilisées en archéologie préventive. Nous avons donc essayé de déterminer si son apport aux différentes phases de l'étude des sites, de leur détection à leur caractérisation, est substantiel. L'Alsace fournit un cadre d'étude adéquat : grande diversité de sols, contextes environnementaux variés et forte pression démographique. 12 sites s'échelonnant du Néolithique au Second Moyen-âge ont été étudiés à travers le diagnostic, la fouille et les prospections hors emprise. Pour celles-ci, l'utilisation de la géophysique est évidente: elle renseigne l'extension des occupations par des méthodes non-intrusives en apportant des informations spatiales clés à l'échelle du site et du territoire. En association avec la fouille, sur la surface décapée, la géophysique s'avère complémentaire des observations car elle reconnaît des structures fantômes en plan et en stratigraphie. Cela entraîne une réflexion sur la nature des vestiges et la façon dont ils sont appréhendés. Sur le diagnostic, la géophysique apporte une information spatiale nécessaire à l'identification du site : elle ignore les limitations des sondages mécaniques systématiques en remettant en contexte les structures isolées, en fournissant une vue générale du site et en reconnaissant des structures entre et dans le prolongement des tranchées. Au final, la géophysique devrait être intégrée à la carte archéologique, à l'instar des autres méthodes de prospections qui, pondérées par leur efficacité, permettraient de repenser la gestion et la conservation du patrimoine archéologique insitu.

Dans la première partie de ce travail de thèse, on a étudié les causes d'anomalie de pesanteur, et plusieurs causes de bruit afin d'en tirer des conclusions sur la faisabilité de certaines applications industrielles qui impliqueraient notamment l'utilisation de gravimètres ou de gradiomètres embarqués. On envisage en particulier la possibilité de constituer un système de prévention des collisions pour la navigation sous-marine, d'utiliser un gravimètre pour détecter des cavités enfouies ou encore d'observer l'anomalie de pesanteur créée par le passage d'une vague de tsunami d'une part, et d'autre part on cherche autant que possible à quantifier en spectre de puissance les bruits classiques rencontrés en gravimétrie embarquée, ainsi que le bruit gravitationnel causé par les vagues. Dans la seconde partie, on décrit la réalisation d'un gravimètre à ondes de matière, qui aura la particularité d'utiliser des atomes piégés au voisinage d'une puce en carbure de silicium. Le développement des gravimètres à ondes de matière est en effet extrêmement prometteur en terme d'exactitude de mesure du champ de pesanteur, mais le principe de réalisation utilisé jusqu'à maintenant implique que la sensibilité limite de l'instrument est proportionnelle à sa taille. D'un autre côté depuis une dizaine d'années des puces constituées de fils conducteurs déposés sur un substrat en silicium ont été développées pour le piégeage et le refroidissement d'atomes. L'utilisation d'une puce à atomes devra permettre de démontrer la possibilité de mesurer le champ de pesanteur avec une sensibilité indépendante de la taille de l'instrument, ce qui mènera à la réalisation d'un gravimètre à atomes froids compact, donc potentiellement utilisable dans un véhicule. Le défi de ce démonstrateur est d'effectuer pour la première fois la séparation spatiale cohérente d'un nuage d'atomes sur une puce atomique, à des fins de métrologie

Les processus d'interactions fluide-roche à l'interface eau douce-eau salée, dans les aquifères carbonatés côtiers soumis à une intrusion saline, sont une des causes du développement d'hétérogénéités dans la structure du milieu poreux. Les dissolutions et/ou précipitations engendrées par la présence de cette zone de mélange jouent un rôle déterminant pour les propriétés de transport du réservoir et donc l'évolution à long terme de l'intrusion d'eau salée. En prenant l'exemple de la plateforme carbonatée de Llucmajor au niveau du site expérimental de Ses Sitjoles (Sud-Est de Majorque, Espagne), un travail de caractérisation et d'observation in situ à moyen terme de l'intrusion saline actuelle de ce réservoir permet de décrire son évolution temporelle et les processus biogéochimiques actifs dans la zone de mélange. L'influence de la microstructure du milieu poreux, caractérisée par microtomographie RX, sur les propriétés pétrophysiques et hydrodynamiques est étudiée en laboratoire et des expériences de percolations d'eaux réactives (mélanges eau douce - eau salée et eau pure chargée en CO2) sont réalisées afin d'étudier les modifications de ces microstructures lorsqu'elles sont soumises à des interactions eau - roche. La zone de mélange eau douce - eau salée rencontrée au niveau du site de Ses Sitjoles est large et peu sensible aux contraintes extérieures (climatologiques et anthropiques) et constitue un lieu d'activité microbiologique particulièrement actif. En laboratoire, on observe un fort contrôle des phénomènes de transport par la microporosité et des processus d'interactions eau - roche par la pCO2. Dans le cas d'une percolation de fluides moyennement réactifs, les expériences mettent en évidence une dissolution de calcite accompagnée par une diminution de la perméabilité, liée à un réarrangement des micro-grains à l'intérieur du réseau microporeux.

Une onde sismique se propageant dans un milieu poreux contenant un uide crée un mouvement relatif entre ce uide et la matrice solide. En transportant les ions présents en excès dans la double couche électrique, ce mou- vement relatif crée un courant d'électro ltration. Ce phénomène électrocinétique, survenant à l'échelle microscopique, est à l'origine d'au moins deux types de conversions sismo-électromagnétiques observables à l'échelle macroscopique. D'une part, il donne naissance à des champs électromagnétiques cosismiques accompagnant l'onde sismique perturba- trice. D'autre part, lorsqu'une onde sismique traverse une interface séparant deux milieux de propriétés mécaniques, électriques ou hydrologiques di érentes, elle génère une discontinuité du potentiel de part et d'autre de cette interface, qui agit comme une source électromagnétique dipolaire. Les réponses interfaciales ainsi créées voyagent à des vitesses électromagnétiques et sont observées presque simultanément par tous les récepteurs. Cette thèse s'attache à la com- préhension de ces phénomènes et au développement des méthodes d'imagerie géophysique basées sur les conversions sismoélectromagnétiques. Deux axes de travail sont investigués. Le premier concerne le traitement des données sismoélectromagnétiques et en particulier l'extraction des réponses interfaciales, qui peuvent renseigner sur le sous-sol en profondeur. Nous comparons l'impact de plusieurs méthodes de ltrage sur les amplitudes et les formes d'onde des réponses interfaciales. Nous introduisons également une nouvelle technique de séparation d'ondes en domaine des curvelets, qui s'appuie sur les similarités entre les données sismiques et cosismiques. D'autre part, la théorie de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques est limitée aux milieux poreux saturés. Nous l'étendons ici à des milieux partiellement saturés, pour le cas d'un mélange air/eau, en calculant les propriétés mécaniques e ectives du mélange et en écrivant la conductivité électrique, la permittivité diélectrique et le couplage sismoélectrique en fonction de la saturation en eau. Nous adaptons aux conditions non-saturées un programme de simulation numérique des ondes sismo-électromagnétiques basé sur la méthode de la ré ectivité générale. Mots clés : Géophysique de proche surface - Signaux sismo-électromagnétiques - Milieux poreux - Ondelettes - Séparation d'ondes - Modélisation numérique - Zone non-saturée

Cette recherche s'appuie pour certaines données, fournies par des institutions mexicaines sur des bases de donnée réelle. L'objectif est de mesurer les indices de fiabilité des bâtiments en béton armé soumis à des forces sismiques réelles avec épicentre proche, construits sur un sol rigide. Il existe une nécessité d'évaluer l'effet des incertitudes affectant les bâtiments de l'État de Guerrero, du fait que la recherche géophysique un estime GAP sismique avec une zone de 220x90 2km , qui produirait un événement sismique de magnitude Mw=8.4. Nous avons déterminé que la période prédominante de site dans un intervalle de 0.034 à 0.36 [Pérez D. and Mebarki A., 2007]. Nous obtenons ceci, avec l'interprétation de 3600 séismes réels d'une base de données de la SMIS, sélectionnés pour leur grande magnitude et épicentre proche. Lorsque l'ordonnée du spectre de réponse du sol est plus grande que celle du spectre du code, on doit approfondir l'analyses des bâtiments qui s'y trouvent du fait du plus grand risque de dommage et effondrement. Trois propositions de bâtiments de différentes résistances apparaissent, à savoir : 1. Calculer avec les propriétés des matériels de l'Etat de Guerrero. 2. Calculer avec les propriétés de la région centre du pays [RCDF], comme l'on fait actuellement, et, 3. Estimer une dégradation de résistance des bâtiments pour les séismes observé dans le passé. La capacité de résistance latérale du bâtiment est estimée avec deux types d'analyse. Il s'agit de : 1. Static Adaptive Pushover Analysis [DAP], avec laquelle nous mesurons le niveau de ductilité que développe le bâtiment, connaissant le point de plastification et la déformation ultime de chaque bâtiment. 2. Incremental Dynamic Analysis [IDA], pour évaluer en fonction de temps la résistance des bâtiments, soumis à des événements sismiques réels avec changement d'échelle et détermine les moments et la durée de l'état limite du bâtiment a été dépassé. On a observé que les indices de fiabilité dans les bâtiments soumis à des forces sismiques avec épicentre proche, dépendent beaucoup des conditions de sol et de la magnitude du séisme. Les effets de site changent de manière significative quand la magnitude de l'événement sismique augmente, ce qui fait varier les indices de fiabilité des bâtiments. Cette variation montre de l'importance à connaître les propriétés des matériaux de l'État de Guerrero, parce qu'ils influencent grandement sur la période fondamentale de l'édifice

La sismologie et les grands profils sismiques sont ici plus particulièrement utilisés pour étudier la structure profonde de quatre orogènes. Pour les Alpes occidentales, nous traitons d'abord de l'atténuation intrinsèque des ondes sismiques dans la croûte supérieure et de sa dépendance en fonction de la fréquence. Nous faisons ensuite le point sur l'état des connaissances sur l'allochtonie et l'écaillage Iithosphérique vers le milieu des années quatre-vingt. C'est en effet à cette époque que le profil Ecors-Crop Alpes à permis de davantage détailler la structure de la croûte par sismique réflexion verticale En sismique réflexion grand-angle, on a pu observer le Moho profond de la zone de racine et, dans le domaine briançonnais, une écaille de manteau imbriquée dans la croûte alpine. La sismicité et la sismotectonique des Alpes occidentales sont ensuite examinées à la lumière des données récemment acquises par le réseau Sismalp qui surveille l'activité du Sud-Est de la France. Les données télésismiques obtenues par ce même réseau ont été utilisées pour procéder à une tomographie télésismique de la limite de plaques Eurasie-Adriatique jusqu'à 200 km de profondeur. Les trois autres orogènes sont étudiés de façon plus succincte. La structure profonde de l'Atlas tunisien est d'abord présentée à travers les résultats d'une campagne de sondages sismiques profonds. Nous avons ensuite appliqué aux coupes de sismique réflection verticale du profil Ecors Pyrénées les techniques de migration mises au point dans les Alpes. Nous concluons par l'étude de la partie centrale de l'Oural par sismique réflexion grand-angle et par tomographie télésismique, deux techniques éprouvées précédemment dans les Alpes.