Dans le domaine de la sismologie, la modélisation numérique de la propagation des ondes est un outil essentiel pour, par exemple, la quantification du risque sismique ou l'imagerie du sous-sol par inversion de données sismiques. Ces applications géophysiques nécessitent le développement de méthodes numériques sophistiquées de modélisation des ondes dans des milieux de propagation 3D hétérogènes. Parmi les approches possibles,les méthodes directes fondées sur la représentation du milieu sur des grilles numériques permettent la prise en compte de toute la complexité du champ d'onde dans des milieux fortement hétérogènes. Dans ce contexte, la représentation optimale du milieu de propagation et du champ d'onde propagé sur des grilles numériques irrégulières est actuellement. un axe de recherche fortement développé car elle permet d'atteindre le meilleur compromis entre la précision et la rapidité d'exécution des simulations dans des grilles numériques de taille considérable. Dans cette thèse, je propose une nouvelle méthode de modélisation de la propagation des ondes acoustiques par différences finies dans le domaine des fréquences . Le problème numérique associé est la résolution d'un système matriciel. L'approche développée propose une discrétisation spatiale optimisée de l'équation d'onde rendant possible des modélisations en 3D. Premièrement, je compare des modélisations acoustiques en milieu hétérogène calculées avec des schémas aux différences finies en quinconce et. des schémas optimisés, discrétisés suivant deux systèmes d'axe tournés de 45 degrés (schémas tournés). Pour des modélisations 2D, la seconde approche montre des performances supérieures en terme de temps calcul et de stockage mémoire. J 'en conclus que la discrétisation suivant des grilles tournées doit être utilisée pour des simulations 2D. Dans le cas 3D, les schémas utilisant les deux types de discrétisation contiennent 19 coefficients dans le cas des grilles en quinconce et 27 coefficients dans le cas des schémas tournés. Je suggère que les performances, en termes de précision numérique et de stockage mémoire, des deux types de discrétisation doivent être examinées dans le futur. Deuxièmement, je propose une approche mixte multi-échelles combinant une méthode directe et itérative de résolution du système matriciel qui permet d'effectuer des modélisations réalistes dans des milieux 3D. Dans un premier temps, le champ d'onde exact est calculée via la factorisation LU de la matrice sur une grille de résolution grossière. Deuxièmement, ce champ d'onde approché est interpolé sur une grille numérique de résolution fine pour être injecté comme estimé initial dans l'algorithme de résolution itérative. J 'ai exploré deux approches multi-échelles fondées respectivement sur une" nested iteration ", appellée méthode "Direct-Iterative-Space Solver" (DISS), et une décomposition multigrilles en ondelettes, appellée méthode" Direct-lterative- Wavelet Solver" (DIWS) . Les performances respectives, en termes de temps-CPU et de stockage mémoire, de ces deux méthodes de modélisation des ondes en milieu 2D et 3D sont comparées. L'algorithme de la méthode DISS permet la construction rapide du système matriciel. La convergence de l'algorithme itératif dépend fortement de sa capacité à éliminer des artefacts numériques associés à des phénomènes déphasage. L'importance de ces artefacts dépend fortement de la précision de la solution initiale et de la discrétisation numérique du champ modélisé dans l'algorithme itératif. Un nombre important d'itérations ou l'utilisation de cycles en V et W sont nécessaires pour supprimer ces phénomènes. Dans la méthode DIWS, une représentation multirésolution du système matriciel est développée par projection sur une base d'ondelettes. Malgré le coût induit pour transformer le système dans le domaine spectral, la représentation multirésolution a fourni un outil numérique de préconditonnement permettant de stabiliser et d'accélérer significativement l'algorithme itératif. L'accélération de la convergence est attribuée à la représentation du système sur plusieurs grilles numériques de résolution différente dont les interactions sont prises en compte au cours des itérations. Par ailleurs, la formulation en ondelettes ouvre des perspectives d'optimisation sous forme d'adaptation spatial du maillage en fonction des propriétés locales du milieu et du champ propagé. Plusieurs exemples de simulation d'ondes dans des milieux 2D et 3D de complexité variable sont présentés pour illustrer les performances respectives des méthodes DISS et DIWS. La taille des applications 3D présentées a été limitée par l'utilisation de programmes séquentiels. Finalement, des stratégies de parallélisation en mémoire distribuéedes codes sont proposées.

La modélisation numérique de la propagation des ondes sismiques fait partie des études principales sur le calcul du mouvement sismique basées sur de différents schèmes numériques. La prise en compte du comportement nonlinéaire du sol est consideré désormais très important afin de pouvoir calculer la réponse du milieu cohéremment aux observations sous les sollications sismiques très fortes. En plus, le paramètre de pression interstitielle, qui pourrait emmener le sol aux phénomènes de liquéfaction, devient très important pour les sols saturés. Dans cette étude, dans un premier temps, la propagation des ondes sismiques est modelisée sur une composante (1C) dans les milieux linéaires et nonlinéaires en utilisant la méthode numérique des éléments spéctraux. Les rhéologies viscoélastique et nonlinéaire sont implementées par le méthode de technique des variables de mémoire et le modèle élastoplastique d’Iwan, respectivement. Ensuite, le modèle 1D - trois composantes (3C) est développé et une comparaison préalable sur l’effet de la considération des approches 1C et 3C est faite. L’effet de pression interstitielle est implementé dans le code 1D-3C et le site américain Wildlife Refuge Liquefaction Array (WRLA), qui a été frappé par le séisme de Superstition Hills en 1987 est étudié. Le changement de la réponse du sol sous les différents hypothèses de rhéologie du sol et de mouvement d’entrée est étudié. Le mouvement calculé est noté d’être amplifié pour les basses fréquences et atténué pour les hautes fréquences en raison de l’excès de pression interstitielle dans les sols liquéfiables. Par ailleurs, le sol devient plus nonlinéaire sous le chargement triaxial dans l’approche 3C et plus dilatant dû à la nonlinéarite élevée. En dépit de la similitude entre les accélérations et les vitesses en surface des approches 1C et 3C, une importante différence dans le déplacement en surface entre les deux approches est notée. Les analyses sont répétées pour deux sites japonais Kushiro Port et Onahama Port, qui ont été influencés par le séisme de Kushiro-Oki en 1993 et le séisme de la côte Pacifique de Tohoku en 2011, respectivement. Il a été montré que les changements apportés par la nonlinéarite ne sont pas identiques dans toute la gamme de fréquence concernée et l’influence du comportement des sols non-cohésives sur la propagation des ondes sismiques dépend fortement des propriétés du modèle et des conditions de chargement. Dernièrement, le code SEM est avancé en 2D en considerant les mêmes modèles implementés en 1D-3C pour la nonlinéarite du sol et les effets de pression interstitielle. Le code SEM 2D est mis en application dans un modèle de bassin sédimentaire dont la géometrie est assymmétrique et le profile du sol est composé des couches possédant différentes propriétés nonlinéaires. Le modèle est étudié par les analyses totale et effective pour les propagation des ondes P-SV et SH. La differentiation du mouvement calculé en surface est très importante sous les chargements avec les signaux d’entrée synthétique et réel. L’analyse effective résulte en plus de déformations dans les couches superficielles par rapport à l’analyse totale.De plus, la durée de propagation des ondes augmente à l’intérieur du bassin et les reflections aux frontières de bassin-rocher entraînent plus de nonlinéarite dans les coins du bassin. Cette thèse révèle la possibilité de la modélisation du comportement nonlinéaire du sol en prenant en compte l’effet de pression interstitielle dans les études de la propagation des ondes sismiques en couplant les modèles différents avec la méthode des éléments spéctreaux. Ces analyses contribuent à l’identification et la compréhension des phénomènes majeures qui se déroulent dans les couches superficielles en respectant les conditions locales et les mouvements d’entrées, ce quirend ce travail très important pour les études spécifiques de sites / Numerical modeling of seismic wave propagation has been a major topic on ground motion studies using a number of different numerical integration schemes. The consideration of soil nonlinearity holds an important place in order to achieve simulations consistent with real observations for strong seismic shaking. Additionally, in the presence of strong ground motion in saturated soils, pore pressure becomes an important parameter to take into account for related phenomena such as flow liquefaction and cyclic mobility. In this study, first, one component (1C) - seismic wave propagation is modeled in linear and nonlinear media in 1D based on the spectral element numerical method. Viscoelastic and nonlinear soil rheologies are implemented by use of the memory variables technique and Iwan’s elastoplastic model, respectively. Then, the same study is extended to a 1D - three component (3C) model and a preliminary comparison on the effect of using 1C and 3C approaches is made. Then, the influence of excess pore pressure development is included in the 1D-3C model and the developped numerical model is applied to realistic case on the site of Wildlife Refuge Liquefaction Array (USA) which is affected by the 1987 Superstition Hills event. The ground motion modification for different assumptions of the soil rheology in the media and different input motions is studied. The calculated motion is found to be amplified on low frequency and damped in high frequency range due to excess pore pressure development. Furthermore, the soil is found to be more nonlinear under triaxial loading in 3C approach and more dilative due to higher nonlinearity. Despite the similitude in surface acceleration and velocity results, significant differences in surface displacement results of 1C and 3C approaches are remarked. Similar analyses are performed on two Japanese sites Kushiro Port and Onahama Port, which are influenced by the 1993 Kushiro-Oki and the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquakes, respectively. It has been shown that the nonlinearity-related changes are not homogeneous all over the concerned frequency band and the influence of cohesionless soil behavior on wave propagation is highly dependent on model properties and loadingconditions. Lastly, the 2D SEM code is developped by taking into account soil nonlinearity and pore pressure effects similary to 1D-3C SEM code. The developped 2D SEM code is applied to a 2D sedimentary basin site where the basin geometry is asymmetrical and soil profile consists of layers with different nonlinearity properties. Total and effective stress analyses are performed on the 2D basin for P-SV and SH zave propagation models. The calculated surface motion is shown to differ significantly under synthetic and realistic input motion loading conditions and the resultant deformation in superficial layers is found to be very high in effective stress analysis compared to total stress analysis. Also, wave propagation takes longer time inside basin media and the reflections on bedrock-basin boundaries lead the soil in basin edges to higher nonlinearity. This study shows the possibility of modeling nonlinear soil behavior including pore pressure effects in seismic wave propagation studies by coupling different models with spectral element method. These analyses help identifying and understanding dominant phenomena occurring in superficial layers, depending on local conditions and input motions. This is of great importance for site-specific studies