Le développement de l’énergie géothermique a conduit à l’exploitation de ressources établies dans des contextes géologiques et géodynamiques très variés. L’exploration géophysique de ces réservoirs complexes nécessite l’utilisation de plusieurs méthodes d’imagerie complémentaire. Ce travail de thèse porte sur l’exploration d’une ressource géothermique située en contexte de socle fracturé dans le Massif Central français par magnétotellurique, tomographie de bruit ambiant et gravimétrie.La magnétotellurique est une méthode d’imagerie 3D résolvante qui est sensible à la présence d’eau et aux argiles d’altération hydrothermale mais limitée par sa couverture spatiale. La tomographie de bruit sismique présente une bonne résolution verticale mais ne résout pas les variations horizontales de vitesse. Cette méthode est sensible aux variations des propriétés mécaniques des roches et donc aux milieux fracturés. Enfin la gravimétrie apporte une contrainte sur les variations lithologiques et possède une bonne résolution latérale mais une faible résolution verticale.Nous présentons une méthode d’inversion conjointe des données sismiques et gravimétriques sous contrainte d’un modèle de résistivité obtenu par inversion magnétotellurique indépendante. L’inversion conjointe nécessite de définir des couplages entre modèles. Par absence de connaissance a priori de relations pétrophysiques, nous avons couplé les modèles de densité, de résistivité et de vitesse avec une loi qui contraint les paramètres à être corrélés en moyenne. Cette stratégie vise à faire ressortir des relations caractéristiques des objets géologiques de la ressource géothermique.Cette méthodologie d’inversion conjointe a été testée sur des modèles synthétiques. L’application aux données réelles acquises dans le Massif Central a permis de définir une zone en profondeur de forte corrélation interprétée comme la transition ductile fragile. La partie intermédiaire des modèles, plus homogène, permet de distinguer différentes unités géologiques séparées par une zone de faille. Enfin la partie superficielle se distingue par une forte hétérogénéité des paramètres résultants probablement de processus d’altération de surface. / The development of geothermal energy has led to the exploitation of resources established in varied geological and geodynamic contexts. Geophysical exploration of these complex reservoirs requires the use of several complementary imaging methods. This PhD thesis focuses on the exploration of a geothermal resource located within the fractured basement in the French Massif Central using magnetotelluric, ambient noise tomography and gravimetry. Magnetotelluric is a 3D imaging method with a good resolution power that is sensitive to the presence of water and hydrothermal weathering clays but is limited by its spatial coverage. Seismic noise tomography has a good vertical resolution but does not resolve well horizontal velocity variations. This method is sensitive to variations of the mechanical properties of rocks and thus to fractured media. Finally gravimetry brings constraint on the lithological variations and has a good lateral resolution but lacks vertical resolution.We present a method of joint inversion of seismic and gravimetric data under the constraint of a resistivity model obtained by independent magnetotelluric inversion. Joint inversion requires defining model couplings. By lack of prior knowledge of petrophysical relationships, we have coupled the density, resistivity and velocity models with a law that constraints the parameters to be correlated on average.This strategy aims to bring out the characteristic relationships of the geological objects of the geothermal resource. This joint inversion methodology has been tested on synthetic models. The application to the real data acquired in the Massif Central has made it possible to define a deep zone of high correlation interpreted as the fragile ductile transition. The intermediate part of the models, more homogeneous, allows to distinguish different geological units separated by a fault zone. Finally the superficial part is distinguished by strong heterogeneity of the parameters resulting probably from surface alteration process.

L'inversion conjointe géophysique est la méthode la plus efficace pour imager l'intérieur de la Terre. En intégrant plusieurs techniques géophysiques elle permet de réduire les incertitudes inhérentes à chacune et ainsi améliorer la compréhension de la Terre. Dans cette étude, nous utilisons les techniques des fonctions récepteur (RF) en sismologie, de la magnétotellurique (MT) et de la gravimétrie qui permettent de caractériser respectivement la vitesse des ondes S, la résistivité électrique et la densité du sous-sol.Le but de ce travail de recherche se divise en deux parties: une première, méthodologique, sur le développement d'une nouvelle approche d'inversion conjointe en 3D et une deuxième avec l'application de ces techniques (en approche jointe ou séparée) sur la Divergence Nord Tanzanienne pour mieux comprendre le phénomène de rupture continentale. Pour la partie méthodologie deux approches ont été développées : une entre les données de MT et de gravimétrie avec un calcul original de l'effet gravimétrique de la topographie qui permet de réduire le nombre de mailles tout en gardant une résolution satisfaisante ; et une deuxième méthode entre les données de MT et de RF par une nouvelle approche d'extrapolation des modèles 1D de vitesse en pseudo modèle 3D de vitesse. L'application de ces techniques sur la Tanzanie a permis de mettre en évidence un certain nombre de structures lithosphériques dont deux zones majeures à faible vitesse dans la croûte inférieure et dans le manteau supérieur. Cette dernière semble refléter des interactions entre des structures héritées d'âge protérozoïque et le panache mantellique Africain. / Geophysical joint inversion attempts to reproduce as best as possible the interior of the Earth. By integrating several geophysical techniques the joint inversion reduces the uncertainties of each methods and improves our understanding of the Earth structure. In this study we use the receiver functions (RF), the magnetotelluric (MT) and the gravity methods which enable to charaterize the Swave velocity, the electrical resistivity and the density, respectively. The objective of this research work is divided in two parts; first with the development of a new 3D joint inversion approach and then with the application of these methods (on a joint or separate approach) on the North Tanzanian Divergence to better understand the continental breakup.For the methodologic part two approaches have been developed; one between the MT and gravity data with an original computation of the topographic effect which decreases the number of cells while keeping a satisfaying resolution. And a second method between the MT and RF data where pseudo 3D velocity model are created and combined with the MT models to better takes into account the physical properties of the receiver function. The application of these methods on the Tanzania highlighted several lithospheric structures and particularly two low-velocity areas in the lower crust and the upper mantle. This latter suggests interactions with Proterozoic inherited structures and the African plume material.

Ce travail a pour objectif l'étude des différents paramètres sismologiques utilisables en géodynamique, c'est à-dire principalement l'étude des structures profondes, de la sismicité et des mécanismes focaux. La première étape consiste dans la collecte de données nouvelles et fiables ce qui nous a amenés : premièrement à compléter le réseau sismologique existant au Maroc et deuxièmement à organiser ou participer à plusieurs campagnes de sondages sismiques profonds. De nombreux modèles géodynamiques ont été proposés pour la Méditerranée occidentale, nous présenterons les principaux d'entre eux en tentant d'expliquer quelles sont les données qui ont été à l'origine de leur élaboration. Souvent ces modèles s'appuient sur des données géologiques mais peu tiennent compte de l'ensemble des contraintes apportées par les données géophysiques. Ayant acquis des données géophysiques récentes, je les confronterai à ces modèles et à leurs conséquences. Notre exposé sera composé de plusieurs chapitres dans lesquels nous introduirons en annexe certaines de nos publications ayant trait au sujet. - Une étude de la dispersion des ondes de surface pour preclser la structure profonde dans le domaine atlantique et le domaine nord africain et tenter de déceler une différence entre la plaque Europe et la plaque Afrique. - Plusieurs interprétations de sondages sismiques profonds, en mer d'Alboran où la nature de la croùte (océanique, continentale ... ) conditionne toute hypothèse quant à son mode de formation, au Maroc où de nombreux profils ont été effectués principalement dans la zone rifaine. - Une étude gravimétrique faite en mer d'Alboran en utilisant les structures définies par les sondages sismiques pour confirmer ou infirmer certains résultats de ces derniers. - Plusieurs études de sismicité: de type général à partir du fichier de données U.S.G.S. de 1900 à 1976, ou plus locales concernant particulièrement l'arc de Gibraltar à partir des nouvelles données ou l'Algérie du Nord en redéterminant les épicentres de la période 1950-1970. Le problème de la profondeur des foyers est crucial pour tout modèle supposant une subduction lithosphérique, nous tenterons, examinant les données avec un soin particulier, de préciser la profondeur des foyers. Ce chapitre se terminera par quelques considérations sur les mécanismes associés aux tremblements de terre en domaine océanique ou continental. Les mécanismes focaux, du fait de la faible magnitude des séismes sur le pourtour méditerranéen, sont mal connus ; nous tenterons. à partir de données de sismogrammes courte période d'en proposer de nouveaux et de les relier à des accidents tectoniques existants. Cet exposé se terminera, non par la proposition d'un nouveau modèle supplantant tous les précédents, mais par une revue critique des différents modèles proposés à la lumière des données nouvellement acquises ou de données géophysiques déjà publiées.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l'accélération de l'ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d'intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l'hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

Les méthodes géophysiques aéroportées sont très utilisées pour la prospection du sous-sol à l'échelle régionale, permettant ainsi de couvrir de grandes surfaces en particulier les zones difficiles d'accès. Le sujet de thèse concerne le développement de techniques d'interprétation des données géophysiques pour le problème des ressources naturelles et de l'environnement. La première partie de cette thèse concerne le développement d'une méthode de calcul direct des composantes des champs gravimétrique et magnétique à partir d'une structure (corps) géologique modélisé(e) par une grille à base de tétraèdres, ce qui permet de représenter des modèles géologiques très complexes particulièrement en présence de zones faillées et hétérogènes avec un nombre d'éléments optimal. Plusieurs techniques d'inversions utilisent des contraintes mathématiques pour la résolution du problème inverse en modélisation. Ces contraintes permettent de réduire le nombre de modèles possibles. Cependant les solutions proposées appelées aussi « le modèle le plus probable » présentent des solutions lisses, ce qui est loin de représenter la réalité géologique. Pour éluder ce problème, les deuxièmes et troisièmes parties de la thèse proposent des améliorations majeures du processus d'inversion par l'utilisation des méthodes géostatistiques telles que la Simulation Gaussienne Séquentielle ou la Co-Simulation dans le cas d'une inversion conjointe afin d'estimer les probabilités a posteriori des modèles simulés. La quatrième partie de ce mémoire présente une alternative à la simulation de plusieurs variables. L'apprentissage du réseau de neurones supervisé par un certain nombre de points permet d'établir une relation entre les différentes variables / In recent years with the technology developments, airborne geophysical methods (gravity, magnetic, and electromagnetic) are widely used in the natural resource exploration at the regional scale. It covers large areas particularly in the areas with difficult access. The first part of this thesis consist on the development of new forward modeling algorithm for the calculation of the components of the gravity and magnetic fields based on a tetrahedron grid. The tetrahedral mesh allows the representation of very complex geological models holding many heterogeneous and faulted zones with an optimal number of elements, this reduces significantly the time calculation. Several inversion techniques use mathematical constraints for the resolution of the inverse problem in order to reduce the number of possible models. However the proposed solutions called also "the most probable model" provide a smooth solutions that cannot represent the geological reality. To circumvent this problem in the second and the third parts of this thesis, we made two major improvements. The first, we integrate Sequential Gaussian Simulation into the inversion procedure to determine a possible distributions of a single property. The second is that we used the Co-Simulation in the case of joint inversion to estimate a posteriori probabilities of the simulated models. The last part of this thesis presents an alternative to the several variables simulation, supervised learning of neural networks allows to establish a relationship between the different variables

Pour mieux comprendre les résultats géophysiques en termes de géologie, il est important d'utiliser différents types de données acquises par plusieurs méthodes. Une seule méthode géophysique n'a pas nécessairement la résolution suffisante pour expliquer la géologie. Avec une seule méthode, il peut être difficile de donner un sens géologique aux anomalies observées dans les modèles. L'inversion conjointe, en revanche, est une approche permettant de combiner des données de différentes natures. L'inversion conjointe peut être réalisée de deux façons : structurale ou pétrophysique. On peut subdiviser les inversions conjointes en deux groupes : l'inversion conjointe de méthodes sensibles au même paramètre physique comme les sondages électriques DC-DC et AC-DC, et l'inversion conjointe de méthodes sensibles aux paramètres de natures différentes, comme la gravimétrie et la sismique ou la sismique et la magnétotellurique (MT).Dans ce travail de thèse, je présente la solution de l'inversion conjointe de données MT et gravimétriques. La bonne résolution verticale mais la faible couverture spatiale des données MT peuvent être complémentaire des données gravimétriques qui possèdent une excellente couverture spatiale mais une faible résolution verticale.Le problème qui se pose dans l'inversion conjointe de données de différentes natures, est comment relier les différents paramètres. Des formules analytiques entre les vitesses sismiques et les densités ou entre les résistivités électriques et les densités sont destinées à des études spécifiques. En général, il n'est pas évident de relier les paramètres par des relations pétrophysiques. Par conséquent, il est nécessaire de développer des algorithmes qui n'imposent pas de relation spécifique entre les paramètres. L'approche d'inversion conjointe présentée ici est assez générale. Je pose une fonction de condition géométrique (GCF) sous laquelle les paramètres varient dans le même domaine pour imager les mêmes milieux.La méthodologie développée durant cette thèse est testée et validée sur des modèles synthétiques. Une application est réalisée sur les données réelles acquises dans la région de Turkana, Nord Kenya, une branche du Rift Est Africain. Les résultats obtenus ont permis de confirmer certaines conclusions apportées par les résultats de la sismique réflexion et d'apporter de nouvelles informations. L'étude a permis, en effet, de mettre en évidence deux Bassins en forme de demi-graben et de déterminer l'épaisseur des basaltes, jusque là inconnus. Une stratigraphie est proposée pour les bassins de Turkana et de Kachoda. Concernant l'étude de la lithosphère, nos résultats montrent une croûte très hétérogène et un manteau supérieur homogène. Deux anomalies (conductrices et moins denses) ont été mises en évidence entre la croûte inférieure.Ces anomalies peuvent être des zones de fusion partielle à priori sont déconnectées du manteau supérieur ou s'est initié la fusion.

Nous modélisons le rapport entre variation de pesanteur et déplacement vertical du sol dus à une surcharge à la surface d'un modèle de Terre à symétrie sphérique, stratifié et élastique. Les résultats théoriques sont comparés aux valeurs numériques trouvées pour diverses charges à partir des sorties de modèles globaux. Nous évaluons la résolution et la précision des variations temporelles du contenu en eau du sol estimées par la mission de gravimétrie spatiale GRACE. Celles-ci sont comparées aux prédictions des variations saisonnières de plusieurs modèles hydrologiques. En Europe, la validation des mesures GRACE par les mesures des gravimètres du reseau GGP repose sur une analyse en composantes principales et met en évidence la sécheresse de l'été 2003. Les signatures gravitationnelles cosismique et postsismique associées au séisme de Sumatra (2004) sont extraites des données GRACE. Une modélisation de l'effet cosismique montre que la réponse statique de l'océan ne peut être negligée.

Une étude associant des mesures structurales par ASM, un levé gravimétrique et de nouvelles datations 40Ar/39Ar a été menée sur trois massifs granitiques du Sud-Est du Massif Central : les plutons de la Margeride, du Mont-Lozère – Borne et de l'Aigoual – Saint-Guiral – Liron. Les trois massifs, sub-contemporains, se sont mis en place autour de 305-310 Ma. Pour les trois plutons, les microstructures sont majoritairement de type magmatique ou acquises lors d'une déformation à l'état solide à haute température. Les linéations magnétiques, essentiellement NW-SE à E-W subhorizontales, reflètent la déformation régionale extensive tardi-hercynienne post-collisionnelle. Localement, comme dans les dykes microgranitiques au Nord de l'Aigoual, les fabriques ASM ont, au contraire, enregistré l'écoulement du magma. A partir de la combinaison des données gravimétriques, existantes ou nouvellement acquises, et ASM, des modèles de mise en place sont proposés pour chacun des trois plutons.

Au regard de la variabilité climatique et des activités humaines, un intérêt croissant a été porté au cours des dernières décennies à l'observation des ressources en eau, leur évolution et leur quantification. Les méthodes géodésiques examinent la forme de la Terre et son champ de gravité. Elles sont sensibles à la redistribution des masses d'eau à la surface terrestre, à des échelles spatiales variant de la parcelle au continent et s'avèrent de ce fait être des outils de choix pour suivre la variabilité des ressources en eau. Dans le cadre des projets AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) et GHYRAF (Gravité et Hydrologie en Afrique), une série d'actions en gravimétrie, géodésie, géophysique, et hydrologie a été orchestrée sur un site pilote situé au sud-ouest du Niger, à 70 km de sa capitale Niamey. L'influence de la mousson ouest africaine sur le champ de pesanteur est étudiée à l'échelle locale par des mesures in - situ et, à l'échelle continentale, par des mesures satellitaires. Le signal gravimétrique observé est interprété en terme de variabilité hydrologique, afin d'accéder aux paramètres hydrogéologiques locaux comme la porosité de drainage de l'aquifère. Les incertitudes liées à la présence d'eau dans les premiers mètres de sol sont évaluées à l'aide de mesures d'humidité in-situ. Les valeurs de porosité estimées par gravimétrie sont comparées aux valeurs estimées par résonance magnétique protonique, illustrant la cohérence de ces deux méthodes géophysiques de sensibilités différentes (résolution spatiale et temporelle, objet imagé). L'hétérogénéité spatiale des stocks d'eau est appréhendée, à l'échelle du bassin versant (~2.5 km2), par une saison de mesures intensives de microgravimétrie. Des variations dynamiques de la gravité de faible à moyenne amplitude (≤ 220 nm s-2) sont détectées et analysées avec minutie afin de mieux évaluer la variabilité intrasaisonnière des différents réservoirs hydriques en présence. L'hétérogénéité de stockage dans la zone vadose apparaît comme la source principale de variabilité spatiale du signal gravimétrique à l'échelle locale (< 1 km).

L'Ile de La Réunion est un système océanique volcanique dont l'essentiel du volume est immergé. Sa structure interne est investiguée par approches géophysiques, gravimétrique, magnétique et électromagnétique, offrant un modèle du système à grande échelle. La couverture gravimétrique du Piton de la Fournaise permet de distinguer les sources superficielles et profondes. Des variations gravimétriques associées à l'effondrement du Dolomieu en 2007 sont étudiées en termes de déplacements de masse au sein de l'édifice. Le Piton des Neiges apparaît comme un immense volcan organisé autour d'un système hypovolcanique de grande extension. La corrélation entre sa morphologie et la topographie suggère une relation entre la subsidence du complexe et celle des dépressions sus-jacentes. La couverture de formations récentes, incomplète, présente des épaisseurs variables et permet de reconstruire la morphologie de l'île à la transition Brunhes-Matuyama. A l'échelle du système immergé, la morphologie de deux larges zones de constructions volcaniques anciennes est proposée, à l'E et au SO de l'île, remettant en question les interprétations sismiques. La morphologie générale de l'édifice construit est reconstituée. Le plateau côtier est interprété en termes d'accumulation de hyaloclastites et de pillow lavas. Les quatre excroissances sous-marines sont principalement composées d'accumulation de dépôts d'avalanches de débris, dont les contrastes internes de densité peuvent être corrélés avec certaines unités géologiques observées en surface. Une étude comparative entre l'édifice de La Réunion et d'autres îles océaniques met en lumière les analogies et dissemblances morphologiques, structurales et géophysiques entre différents systèmes volcaniques océaniques.