Le Fossé rhénan bénéficie de circulations naturelles d’eau géothermale, ce qui le rend propice à l’exploitation géothermique. Comment et où les fluides géothermaux circulent-ils ? Quels liens ont-ils avec la tectonique et la sismicité induite ? La géodésie spatiale pourrait-elle apporter de nouveaux éclairages à ces questionnements ? L’objectif de cette thèse est la réalisation d’un suivi géodésique des sites géothermiques de Soultz-sous-Forêts et de Rittershoffen (Alsace, France). Les observations permettent de faire un état des lieux des déplacements de surface des environs des sites pendant leur mise en place et apportent de nouvelles connaissances à l’échelle locale sur le Fossé rhénan supérieur. Les résultats majeurs concernent l’analyse des déformations observées à Landau (Rhénanie-Palatinat, Allemagne). Cette approche illustre également les complémentarités des méthodes géodésiques utilisées (InSAR, GNSS, nivellement). / The Upper Rhine Graben benefits of natural circulation of geothermal fluid, which makes it suitable for geothermal exploitation. How and where do geothermal fluids circulate? What are their links with induced seismicity and tectonics? Could geodesy provide new insigth to these questions ? The objective of this thesis is the realization of a geodetic monitoring at Soultz and Rittershoffen (Alsace, France) geothermal sites. The results are an inventory of nearby sites surface displacements during the implementation of the geothermal sites. They bring new knowledge locally on the Upper Rhine Graben. The main results are the analysis of deformations observed in Landau (Palatinat, Germany). This approach also reflects the complementarities of geodetic methods (InSAR, GNSS, levelling).

La caractérisation de la source d’un séisme se fait à partir de l’analyse des mesures des déplacements transitoires et statiques du sol, et dépend de la quantité et de la qualité de ces mesures. Nous avons travaillé sur la détermination des mécanismes au foyer des séismes modérés de Tadjena (Mw 5.0, 2006), Béni-Ilmane (Mw 5.5, 2010), Hammam Melouane (Mw 5.0, 2013), Bordj-Ménaïel (Mw 4.1, 2014), Alger (Mw 5.7, 2014) et M’ziraa (Mw 5.1, 2016). Pour cela, nous avons inversés les formes d’ondes en champ proche et régional des stations large bandes et accélérométriques du réseau sismologique algérien (ADSN). Nous avons déterminé la distribution spatio-temporelle du glissement cosismique du séisme de Boumerdes-Zemmouri (Mw 6.8, 2003) en inversant conjointement l’ensemble des données disponibles, sismologiques (télésismiques, accélérometriques) et géodésiques (GPS, InSAR, soulèvement côtier). Nous avons travaillé sur la relation qui peut exister entre le séisme de Boumerdes-Zemmouri et les séismes de Hammam Melouane, Bordj Ménaïel et Alger (Mw 5.7, 2014) en termes de transfert de contrainte (CFF). Nous avons calculé le champ de contrainte dans différentes régions de l’Algérie par inversion des mécanismes aux foyers disponibles dans chaque région. / Studies of the earthquake source are based on observations of seismic and static ground motions, which depend on the quality and the density of measurements. In this thesis, we present studies of the determination of the focal mechanism of the Tadjena (Mw 5.0, 2006), Béni-Ilmane (Mw 5.5, 2010), Hammam Melouane (Mw 5.0, 2013), Bordj-Ménaïel (Mw 4.1, 2014), Alger (Mw 5.7, 2014) and M’ziraa (Mw 5.1, 2016) earthquakes, by modeling waveforms in the near and regional field with broadband and strong motion stations of the Algerian Digital Seismic Netwok (ADSN). In addition, we determined the coseismic slip distribution of the Boumerdes-Zemmouri earthquake (Mw 6.8, 2003) by inverting a most comprehensive set of data (teleseismic, strong motion, GPS, InSAR, coastal uplift). We calculated the Coulomb Failure Function between the Boumerdes-Zemmouri earthquake (source fault) and the Hammam Melouane, Bordj Ménaïel and Algiers (Mw 5.7, 2014) events (receiver faults). We computed the stress tensor in different regions of Algeria obtained from the inversion of the available focal mechanisms.

La caractérisation de la source d’un séisme se fait à partir de l’analyse des mesures des déplacements transitoires et statiques du sol, et dépend de la quantité et de la qualité de ces mesures. Nous avons travaillé sur la détermination des mécanismes au foyer des répliques du séisme de Saintes (MW 6.4, 2004), et sur la détermination de la distribution spatio-temporelle du glissement cosismique des séismes de L’Aquila (Mw 6.3, 2009), et de Miyagi-Oki (Mw 7.2, 2005) et de Sanriku-Oki (Mw 7.3, 2011). Ces travaux se sont basés sur des méthodes d’inversions, et différents jeux de données (accélérométriques, large-bandes, GPS et InSAR) accessibles ou non selon le séisme considéré. La seule diversité des mesures n’est pas suffisante pour décrire la rupture. La modélisation des données se confronte à des difficultés, comme par exemple la pertinence des modèles de vitesses sismiques pour la modélisation des données accélérométriques. Une autre problématique récurrente est la non-unicité de la meilleure solution déterminée par les méthodes d’inversions pour décrire les données. Pour répondre à ces deux problématiques, nous avons d‘une part développé une procédure d’exploration de modèles de vitesse pour déterminer les valeurs optimales capables de décrire au mieux les données accélérométriques du séisme de L’Aquila. D’autre part, nous avons développé une procédure de construction d’un modèle de source moyen que nous avons appliqué pour la détermination du glissement cosismique des séismes de L’Aquila, de Miyagi-Oki, et de Sanriku-Oki. L’ensemble de ces travaux et les réponses aux problèmes soulevés sont présentés dans ce travail de thèse. / Studies of the earthquake source are based on observations of seismic ground motions. They also depend on the quality and the density of measurements. In this present work we will present studies of the determination of focal mechanism of main aftershocks of the Les Saintes (MW 6.4, 2004) earthquake, and the determination of the coseismic slip of the L’Aquila (MW 6.3, 2009), the Miyagi-Oki (MW 7.2, 2005), ant the Sanriku-Oki (MW 7.3, 2011) earthquakes. These studies were based on two inversion methods. Different kinds of data were available (strong motion, broadband teleseismic, GPS and InSAR) depending on the earthquake studied. But the multiplicity of data is not sufficient to well describe rupture process. There are others difficulties as the data modeling of strong motion. Seismic velocity models are used to describe the characteristics of layers crossed by seismic waves. The quality of the modeling is depending on the pertinence of these seismic velocity models. The description of the rupture process is also depending on the non-uniqueness of the best solution given by global inversion methods. We propose two procedures in order to take into account these two classic issues. First, we developed a velocity model exploration procedure to obtain optimized 1D velocity models in order to improve the strong motion modeling of the L’Aquila earthquake. Then we developed a procedure to build an average rupture model from the combined results of several joint inversions, which was applied to the L’Aquila, the Miyagi-Oki, and the Sanriku-Oki earthquake. This thesis presents all these works and answers to the raised issues.

Höjddata är fundamentala inom en mängd applikationer. Genom att skapa en digital höjdmodell (DEM), d.v.s. en matematisk modell av terrängens fysiska form, kan höjddata nyttjas på ett effektivt sätt. Tillgång till digitala höjdmodeller underlättar både vid hållbar samhällsplanering och övervakning av klimatförändringar. Vid tillämpning av en DEM är det av största intresse att veta hur väl modellen representerar jordytan. Den centrala delen av studien innefattar en granskning av de två globala höjdmodellerna Copernicus GLO-30 DEM och FABDEM (Forest And Buildings removed Copernicus DEM) som jämförs med svenska referensmodeller baserade på nationella LiDAR-data (Light Detection And Ranging). Genom generering av en egen ytmodell från punktmolnet Laserdata NH framställdes referensdata för jämförelser med Copernicus GLO-30 DEM. Som referensdata för jämförelser med FABDEM användes GSD-Höjddata Grid 2+, vilket är ett markmodellsraster. Utvärderingen utfördes över tre provytor i Sverige. Dessa provytor representerar karaktäristiska marktyper inom landet. I granskningen av kvaliteten för de globala modellerna analyserades statistik för jämförelserna. Dessutom skapades plottar för att kunna visualisera höjdskillnaderna. Studien innehåller även en litteraturstudie om hur de globala modellerna har skapats. Skaparna av Copernicus GLO-30 DEM garanterar en utvidgad standardosäkerhet med täckningsgraden 90% (LE90) på 4 m. Den här studien resulterade i lite högre utvidgade osäkerheter, mellan ca 4,3 och 6,1 meter. Den lägsta osäkerheten uppnåddes i provytan över Stockholm som innehåller höga byggnader, vatten och en del vegetation. De mest avgörande avvikelserna för FABDEM kan kopplats till svagheter i metoden att framställa en markmodell från ytmodellen Copernicus GLO-30 DEM, men FABDEM påverkas också signifikant av brister i den underliggande modellen, d.v.s. i Copernicus GLO-30 DEM. / Elevation data is fundamental in a variety of applications. By creating a digital elevation model (DEM), i.e. a mathematical model representing the physical shape of the surface of the Earth, altitude data can be used effectively. Access to digital elevation models facilitates both sustainable spatial planning and monitoring of climate change. When applying a DEM, it is of greatest interest to know how well the model represents the earth's surface. The central part of the study includes a review of the two global height models Copernicus GLO-30 DEM and FABDEM (Forest And Buildings removed Copernicus DEM), which are compared with reference models based on Swedish national LiDAR data (Light Detection And Ranging). By generating its own surface model from the point cloud Laserdata NH, reference data was produced for comparisons with Copernicus GLO-30 DEM. GSD-Elevation data Grid 2+, which is a terrain model in grid format, was used as reference data for comparisons with FABDEM. The evaluation was performed over three test areas in Sweden. These test areas represent characteristic land types within the country. In the review of the quality of the global models, statistics for the comparisons were analysed. In addition, plots were created to be able to visualize the height differences. The study also includes a literature study on how the global models have been created. The creators of the Copernicus GLO-30 DEM guarantee an extended standard uncertainty at 90 % coverage probability (LE90) of 4 m. This study resulted in somewhat larger expanded uncertainties (90 %), between about 4.3 and 6.1 meters. The lowest uncertainty was achieved in the sample area over Stockholm, which contains tall buildings, water and some vegetation. The most significant deviations for FABDEM can be linked to weaknesses in the method of producing a terrain model from the surface model Copernicus GLO-30 DEM, but FABDEM is also significantly affected by the deficiencies in the underlying model, i.e. in Copernicus GLO-30 DEM.

Le radar à synthèse d'ouverture (RSO) constitue un instrument unique en télédétection des forêts, fort des propriétés physiques micro-ondes en sus d'atouts opérationnels. Néanmoins, l'utilisation de la sensibilité des mesures SAR aux variables d'intérêts in-situ n'est pas triviale et constitue de multiples axes de recherche dont l'étude de la configuration bistatique. Le succès de récentes acquisitions aéroportées (e.g campagne conjointe ONERA-DLR) ou hybrides témoigne d'une certaine résurgence pour la géométrie bistatique, principalement mis en avant pour des considérations opérationnelles. La question du potentiel physique des observables bistatiques reste cependant peu traitée. La thèse s'inscrit dans cet objectif, via l'étude de configurations bistatiques optimales pour améliorer l'inversion de paramètres in-situ d'intérêts, tout en considérant leur faisabilité. Dans ce cadre, la modélisation électromagnétique est fondamentale, illustrée ici par le développement du simulateur ad-hoc MIPERS dont les originalités par rapport aux modèles existants ont démontré toute leur importance pour analyser ces nouvelles observables. Des extensions novatrices des algorithmes de référence en monostatique basées sur l'intensité et l'interférométrie vectorielle pour une estimation directe de la biomasse ou via l'inversion de paramètres descriptifs de modèles de forêts sont alors proposées, à l'issue de formulations théoriques supportées par les résultats de simulations. Outre de futures campagnes expérimentales bistatiques, sont aussi mises en avant les perspectives innovantes de configurations multistatiques.

abstract: The movement between tectonic plates is accommodated through brittle (elastic) displacement on the plate boundary faults and ductile permanent deformation on the fault borderland. The elastic displacement along the fault can occur in the form of either large seismic events or aseismic slip, known as fault creep. Fault creep mainly occurs at the deep ductile portion of the crust, where the temperature is high. Nonetheless, aseismic creep can also occur on the shallow brittle portion of the fault segments that are characterized by frictionally weak material, elevated pore fluid pressure, or geometrical complexity. Creeping segments are assumed to safely release the accumulated strain(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992)(Kodaira et al., 2004; Rice, 1992) on the fault and also impede propagation of the seismic rupture. The rate of aseismic slip on creeping faults, however, might not be steady in time and instead consist of successive periods of acceleration and deceleration, known as slow slip events (SSEs). SSEs, which aseismically release the strain energy over a period of days to months, rather than the seconds to minutes characteristic of a typical earthquake, have been interpreted as earthquake precursors and as possible triggering factor for major earthquakes. Therefore, understanding the partitioning of seismic and aseismic fault slip and evolution of creep is fundamental to constraining the fault earthquake potential and improving operational seismic hazard models. Thanks to advances in tectonic geodesy, it is now possible to detect the fault movement in high spatiotemporal resolution and develop kinematic models of the creep evolution on the fault to determine the budget of seismic and aseismic slip. In this dissertation, I measure the decades-long time evolution of fault-related crustal deformation along the San Andrea Fault in California and the northeast Japan subduction zone using space-borne geodetic techniques, such as Global Positioning System (GPS) and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). The surface observation of deformation combined with seismic data set allow constraining the time series of creep distribution on the fault surface at seismogenic depth. The obtained time-dependent kinematic models reveal that creep in both study areas evolves through a series of SSEs, each lasting for several months. Using physics-based models informed by laboratory experiments, I show that the transient elevation of pore fluid pressure is the driving mechanism of SSEs. I further investigate the link between SSEs and evolution of seismicity on neighboring locked segments, which has implications for seismic hazard models and also provides insights into the pattern of microstructure on the fault surface. I conclude that while creeping segments act as seismic rupture barriers, SSEs on these zones might promote seismicity on adjacent seismogenic segments, thus change the short-term earthquake forecast. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2018

Estimation of biomass has high importance for economic, ecologic and climatic reasons due to the multiple ecosystem services offered by forested landscapes. Measurements that are taken in the field incur personal and economic costs. Nevertheless, biomass surveying based on remote sensing techniques offer efficiency thanks to covering large areas. The European Space Agency (ESA) Sentinel-1 satellite offers promising capabilities for above-ground biomass (AGB) estimation through synthetic aperture radar (SAR) based microwave remote sensing. In this study, experimental AGB estimations based on Sentinel-1 C-band data were produced over the Remingstorp estate (Västergötland County, Sweden) to analyze its performance over boreal productive forests. The obtained measurements were compared against reference values obtained by combining photogrammetric, aerial laser scanning (ALS) and field measurements. Thus, a reference high-resolution canopy height model (CHM) was produced from the difference between photogrammetric digital surface model (DSM) values and ALS digital terrain model (DTM) values. The comparison of CHM observations against diameter at breast height (DBH) field measurements revealed the existence of a vegetation height - vegetation volume relationship for the study species (Pinus Sylvestris and Picea Abbies), which allowed bole volume estimation based on vegetation height values. SAR-based AGB estimates were produced by defining statistical relationships between backscatter intensity and interferometric coherence measurements against reference CHM values. Additionally, evaluation of biomass estimation through interferometric (InSAR) height was possible by comparing against reference photogrammetric DSM. Backscatter signal saturation of C-band at low biomass volumes prevented quantification of biomass but permitted differentiation between forested and non-forested surfaces. Estimation of AGB through interferometric coherence was possible through modeling volumetric decorrelation, which on the contrary prevented biomass retrieval from InSAR height. Due to the given frequency properties at C-band, HV cross-polarized channel was used in all cases for better detection of the canopy layer. Image acquisition under stable conditions was a priority to avoid noise derived from variable dielectric properties, acquisition geometry effects and temporal decorrelation. Hence, image acquisitions under stable hydrometeorological conditions (i. e. stable frozen or dry) and for the lowest repeat-pass interval (i. e. 6-days) were prioritized.

<p>This thesis uses geodetic satellite data to measure present-day crustal deformation in the Zagros fold-thrust belt (SW Iran). Geodetic-type measurements are also used in down-scaled models that simulate the surface deformations seen in convergent settings like the Zagros fold-thrust belt.</p><p>Global Positioning System (GPS) measurements of three surveys between 1998 and 2001 indicate 9 ± 3 mm/yr and 5 ± 3 mm/yr shortening across the SE and NW Zagros respectively. GPS results show that in addition to the different rates and directions of shortening on either side of the NS trending Kazerun fault, local along-belt extension occurs to the east. </p><p>Differential SAR interferograms of ERS1 & 2 images between 1992 and 1999 detect 8 ± 4 mm/yr uplift rate across a newly recognized fault in SW Qeshm Island. This can be attributed to a steep imbricate thrust that may still represent the local Zagros deformation front.</p><p>The salt diapirs in the Zagros rise from a source layer that acts as a low-frictional decollement that decouples the deformation of the cover sediments from their basement in the eastern Zagros whereas the cover to the west deforms above a high-friction decollement. Physical models were prepared to simulate cover deformation in the Zagros by shortening a sand pack above adjacent high- and low-frictional decollements (represented by a ductile layer). The strain distributions differed above the two types of decollements; it was more heterogeneous above the salt where local extension in the shortening direction was dominant. A separate work also investigated systematically the role of basal friction on cover deformation in convergent settings. Accurate height measurements of the model surface by laser-scanner indicated a deformation front more distal than usual, particularly in the low-basal frictional models. The volume reduction in our shortened sand models correlated directly with their basal friction.</p>

This thesis uses geodetic satellite data to measure present-day crustal deformation in the Zagros fold-thrust belt (SW Iran). Geodetic-type measurements are also used in down-scaled models that simulate the surface deformations seen in convergent settings like the Zagros fold-thrust belt. Global Positioning System (GPS) measurements of three surveys between 1998 and 2001 indicate 9 ± 3 mm/yr and 5 ± 3 mm/yr shortening across the SE and NW Zagros respectively. GPS results show that in addition to the different rates and directions of shortening on either side of the NS trending Kazerun fault, local along-belt extension occurs to the east. Differential SAR interferograms of ERS1 &amp; 2 images between 1992 and 1999 detect 8 ± 4 mm/yr uplift rate across a newly recognized fault in SW Qeshm Island. This can be attributed to a steep imbricate thrust that may still represent the local Zagros deformation front. The salt diapirs in the Zagros rise from a source layer that acts as a low-frictional decollement that decouples the deformation of the cover sediments from their basement in the eastern Zagros whereas the cover to the west deforms above a high-friction decollement. Physical models were prepared to simulate cover deformation in the Zagros by shortening a sand pack above adjacent high- and low-frictional decollements (represented by a ductile layer). The strain distributions differed above the two types of decollements; it was more heterogeneous above the salt where local extension in the shortening direction was dominant. A separate work also investigated systematically the role of basal friction on cover deformation in convergent settings. Accurate height measurements of the model surface by laser-scanner indicated a deformation front more distal than usual, particularly in the low-basal frictional models. The volume reduction in our shortened sand models correlated directly with their basal friction.

La production de Modèles Numériques de Terrain (MNT) a subi d'importantes évolutions durant les deux dernières décennies en réponse à une demande croissante pour des besoins scientifiques et industriels. De nombreux satellites d'observation de la Terre, utilisant des capteurs tant optiques que radar, ont permis de produire des MNT couvrant la plupart de la surface terrestre. De plus, les algorithmes de traitement d'images et de nuages de points ont subi d'importants développements. Ces évolutions ont fourni des MNT à différentes échelles pour tout utilisateur. Les applications basées sur la géomorphologie ont profité de ces progrès. En effet, ces applications exploitent les formes du terrain dont le MNT constitue une donnée de base. Cette étude a pour objectif d'évaluer l'impact des paramètres de production de MNT par photogrammétrie et par InSAR sur la qualité de position et de forme de ces modèles. La qualité de position, évaluée par les producteurs de MNT, n'est pas suffisante pour évaluer la qualité des formes. Ainsi, nous avons décrit les méthodes d'évaluation de la qualité de position et de forme et la différence entre elles. Une méthode originale de validation interne, qui n'exige pas de données de référence, a été proposée. Ensuite, l'impact des paramètres de l'appariement stéréoscopique, du traitement interférométrique ainsi que du rééchantillonnage, sur l'altitude et les formes, a été évalué. Finalement, nous avons conclu sur des recommandations pour choisir correctement les paramètres de production, en particulier en photogrammétrie.Nous avons observé un impact négligeable de la plupart des paramètres sur l'altitude, à l'exception de ceux de l'InSAR. Par contre, un impact significatif existe sur les dérivées de l'altitude. L'impact des paramètres d'appariement présente une forte dépendance avec la morphologie du terrain et l'occupation du sol. Ainsi, le choix de ces paramètres doit être effectué en prenant en considération ces deux facteurs. L'effet des paramètres du traitement interférométrique se manifeste par des erreurs de déroulement de phase qui affectent principalement l'altitude et peu les dérivées. Les méthodes d'interpolation et la taille de maille présentent un impact faible sur l'altitude et important sur ses dérivées. En effet, leur valeur et leur qualité dépendent directement de la taille de maille. Le choix de cette taille doit s'effectuer selon les besoins de l'application visée. Enfin, nous avons conclu que ces paramètres sont interdépendants et peuvent avoir des effets similaires. Leur choix doit être effectué en prenant en considération à la fois l'application concernée, la morphologie du terrain et son occupation du sol afin de minimiser l'erreur des résultats finaux et des conclusions.