La redécouverte en 2003 par Holbrook et al. que la colonne d'eau pouvait être imagée par la méthode de la sismique marine a débouché sur la mise en place du projet européen GO (Geophysical Oceanography). Ce projet a eu pour but d'améliorer notre compréhension de la structure à méso et sous-méso-échelle de l'océan en étudiant plus particulièrement le Golfe de Cadix où une structure thermohaline complexe est présente. Les travaux présentés dans ce travail de thèse s'inscrivent directement dans ce projet. En retraitant des données historiques de sismique marine et d'hydrologie, nous avons réhabilité le jeu de données conséquent qui existait sur cette zone. Nous avons ainsi démontré que ces données de sismique marine permettaient d'imager les structures océanographiques de la méso-échelle à la sous-mésoéchelle avec une résolution horizontale d'environ 10 m. Les données d'hydrologie dont la résolution verticale est inférieure au mètre nous permettent de calibrer les données de sismique marine en température et salinité. Afin de relier nos deux jeux de données, nous avons cherché à définir le signal sismique. Celui-ci est reconstruit en convoluant le coefficient de réflexion avec l'ondelette source du système d'acquisition sismique. Le principal facteur influençant le signal sismique est la température via le gradient de vitesse du son. Les données de sismique marine et d'hydrologie de la campagne GO acquises simultanément dans le Golfe de Cadix en Avril 2007 ont ensuite été analysées pour déterminer la nature physique et les caractéristiques géométriques des réflecteurs acoustiques dans la colonne d'eau. Les données sismiques montrent des réflecteurs intenses, proches de la surface, au-dessus des courants d'Eau Méditerranéenne (EM), au-dessus d'un Meddy, et dans une structure de sous-méso-échelle de l'EM qui sont liés à de forts contrastes thermohalins. L'analyse en ondelettes verticales appliquées aux données sismiques indique des réflecteurs de longueurs d'onde verticales (16-64 m) associées à une stratification thermohaline. En bordure du Meddy, des intrusions latérales d'eau moins salée sont révélées par des réflecteurs de 25-75 m d'épaisseur. Les données sismiques étudiées révèlent que les limites supérieures et inférieures des couches correspondent à l'existence de structures à fine-échelle. Les données basse fréquence de sismique marine permettent la détection systématique et la surveillance des tourbillons de mésoéchelle et de sous-méso-échelle qui ne sont identifiés qu'occasionnellement avec les sections d'hydrologie.

Un programme d'inversion des formes d'ondes sismiques a été développé pour estimer les propriétés d'un milieu stratifié élastique dans le domaine temps-distance. Ce programme est capable de prendre en compte des données haute~ fréquences (0-50 Hz) et des milieux finement stratifiés, ce qui en fait une méthode particulièrement adaptée à l'inversion de profils de sismique marine, y compris ceux enregistrés par des sismographes fond de mer. Le problème inverse est résolu par une tchnique de moindres carrés généralisée. Cette technique nécessite de pouvoir résoudre rapidement le problème direct et calculer efficacement la matrice des dérivées de Fréchet qui représente la sensibilité au premier ordre des champs d'ondes par rapport à de faibles modifications des paramètres élastiques du modèle. Le problème direct est résolu en utilisant une technique classique de matrices de réflexion-transmission généralisée combinée avec une intégration en nombres d'ondes discrets. Les dérivées de Fréchet sont obtenues sous forme analytique à l'aide des fonctions de Green du milieu non perturbé. Nous proposons deux approches pour calculer ces dérivées. La première consiste à les calculer directement dans le domaine temps-distance en représentant les interfaces par des arrangements réguliers de points diffractants. La deuxième approche est une nouvelle méthode de calcul basée sur une formulation analytique qui permet d'évaluer avec rapidité et précision les dérivées de Fréchet pour une perturbation des paramètres élastiques d'une couche plane d'extension infinie. La méthode d'inversion proprement dite utilise une technique de gradients conjugués dans le domaine temps-distance, en intégrant toutes les techniques développées précédemment. La méthode est illustrée par des exemples d'inversion de données synthétiques réalistes, mais aussi par des enregistrements réels de type OBS de la campagne Malis en Mer Ligure. La robustesse de la méthode a été étudiée en imposant aux données ou au milieu de propagation certaines erreurs violant les hypothèses de base de l'algorithme. La méthode permet par ailleurs de considérer un grand nombre de géométries source-récepteur et peut s'appliquer en particulier à des enregistrements de profils sismiques verticaux, ainsi qu'à des modèles présentant une forte variabilité des propriétés élastiques suivant la profondeur.

Les méthodes numériques sont largement utilisées en exploration sismique pour simuler la propagation des ondes et pour le post-traitement des données sismiques avant l'interprétation géologique/géophysique. Les algorithmes sont basés sur différentes hypothèses pour réduire le coût de calcul au détriment de la simplification des modèles et/ou des phénomènes physiques. En raison de leur rôle essentiel en exploration géophysique, la précision des simulations numériques présente un fort intérêt, notamment dans le cas de configurations géologiques réalistes. La comparaison directe des résultats numériques entre eux dans des configurations synthétiques peut avoir des limites, car il peut être difficile de déterminer celui qui donne la meilleure approximation de la solution physique inconnue. Comme dans la réalité le sous-sol n'est jamais connu avec précision, il est également difficile de comparer les résultats synthétiques aux données sismiques réelles acquises in situ. Par conséquent, il y a un grand intérêt à utiliser des mesures de laboratoire sur des modèles physiques aux propriétés connues pour valider la précision des outils numériques. Avant de pouvoir comparer avec précision les mesures et les simulations, nous devons tout d’abord établir un cadre comparatif avec une approche conjointe adaptée aux expériences de laboratoire et à la modélisation numérique. C’est précisément l'objectif de cette thèse. Ainsi, le cadre reproduit d'abord les mesures sismiques marines dans des conditions de laboratoire en utilisant de modèles à échelle réduite, puis les outils numériques sont adaptés à la reconstruction précise des expériences. / Numerical methods are widely used in seismic exploration to simulate wave propagation and to post-process the recorded seismic data before the geologic/geophysical interpretation. The algorithms are based on various assumptions to reduce the computational cost at the expense of simplifying the models and/or the physical phenomena. Because of their essential role in exploration geophysics, the accuracy of the numerical simulations is of particular interest, especially in the case of realistic geologic setups. The direct comparison of the numerical results with each other in synthetic configurations can have limitations, as it can be difficult to determine the one that gives the best approximation of a physically unknown solution. Because in real life the subsurface is never accurately known, it is also difficult to compare the synthetic results to any seismic data set from field measurements. Therefore there is a strong interest in using laboratory measurements on physical models of known geometries to benchmark the numerical tools. Before comparing measurements and simulations with confidence at high accuracy, we first need to establish a comparative framework with a jointly-adapted approach to both the laboratory experiments and the numerical modeling. This challenging task is the goal of this thesis. Thus, the framework first reproduces offshore seismic measurements in laboratory conditions with the help of small-scale models, and then the numerical tools are adapted to the accurate synthetic reconstruction of the experiments.