Deux campagnes d'enregistrements sismiques à l'aide d'un réseau local temporaire de stations sismologiques portables ont été réalisées au Sud Pérou en 1980 et 1981. L'objectif était de préciser, grâce aux données d'un réseau local, les problèmes mal résolus par celles du réseau mondial permanent WWSSN. La région d'étude est un cas typique de subduction d'une plaque océanique sous une plaque continentale, associée à une chaîne de type Cordillère. L'étude de la sismicité d'une telle zone active d'affrontement de plaques lithosphériques fournit une approche physique pour répondre à certaines questions fondamentales: la localisation des séismes renseigne sur l'étendue et la géométrie des zones qui sont le siège de déformations cassantes; l'étude des mécanismes à la source vient compléter ce schéma spatial en précisant l'état des contraintes au sein de ces mêmes zones. En simulant les cas réels, avec des données synthétiques, nous étudions, dans de nombreux cas de figure, le comportement des programmes de localisation des séismes. L'interprétation sismotectonique qui suit permet de mettre en évidence et de préciser des particularités locales. L'accent est mis sur l'activité sismique superficielle intracontinentale, en relation avec les observations géologiques, mais aussi sur la zone sismique de Wadati-Benioff qui montre entre 100 et 200 km de profondeur, de fortes variations de pendage.

Afin d'appréhender in-situ le couplage entre les pressions de fluides et la mécanique des failles, un laboratoire géodynamique a été installé dans le Rift de Corinthe. L'élément majeur de ce projet européen est un forage recoupant la faille d'Aigion, qui a rejoué lors d'un séisme de magnitude 6.2 en 1995, et son instrumentation permanente qui permet le suivi en continu de la pression de fluide autour de la faille. Nous avons d'abord caractérisé l'environnement hydrogéologique par la conjonction de méthodes relevant de la thermique et de l'hydrogéologie. Il devient alors possible d'interpréter les multiples anomalies hydrauliques perçues par nos capteurs de haute précision. Leur abondance témoigne de l'activité de la faille.

Les volcans sont des édifices complexes et hétérogènes. Imager leur structure demande des méthodes adaptées au contexte ainsi qu'à la nature, à la qualité et à la quantité des données disponibles.Ce travail porte sur l'imagerie géophysique de l'île volcanique de Basse-Terre en Guadeloupe, par inversion de données gravimétriques et magnétiques, par tomographie d'ondes de surface extraites de corrélations de bruit sismique et par tomographie de temps d'arrivée des séismes de l'arc des Petites Antilles. Nous obtenons ainsi les premiers modèles tridimensionnels de l'île de Basse-Terre en termes de densité, aimantation et vitesses sismiques. La gravimétrie et le magnétisme conduisent à des modèles de densité et d'aimantation avec une très bonne résolution latérale dans les premiers kilomètres, mais avec une résolution verticale très faible. Les ondes de surface issues des corrélations de bruit présentent une bonne résolution verticale dans les premiers kilomètres, mais résolvent mal les variations latérales de vitesses. La tomographie de temps d'arrivée permet d'imager les vitesses sismiques jusqu'à des profondeurs élevées, avec une bonne résolution latérale, mais une mauvaise résolution verticale. Nous proposons une méthode pour inverser conjointement les données sismologiques et gravimétriques pour produire un modèle de vitesses et de densité qui bénéficie des résolutions complémentaires des différents jeux de données.Nos résultats soulignent une tendance NNO-SSE, avec des vitesses et des densités qui diminuent vers le sud en moyenne, conformément à la migration du volcanisme du nord vers le sud au cours de l'histoire géologique de l'île. Nous observons de faibles densités, vitesses sismiques et aimantations au niveau du dôme du volcan de la Soufrière ainsi que dans la région de Bouillante sur la côte ouest, reflétant la forte altération hydrothermale de ces zones. Deux anciens centres éruptifs majeurs, caractérisés par de fortes densités et vitesses sismiques, sont identifiés : l'un au niveau de la vallée de Beaugendre, l'autre au nord au niveau de la vallée de Petite Plaine. / Volcanoes are complex and heterogeneous edifices. Imaging their structures requires methods that are adapted to the context and to the nature, quality and quantity of available data. This work focuses on the geophysical imaging of the volcanic island of Basse-Terre in Guadeloupe, by performing inversions of gravimetric and magnetic data, ambient noise based surface wave tomography, and travel time tomography from earthquakes of the Lesser Antilles arc. We therefore obtain the first three-dimensional models of Basse-Terre island in terms of density, magnetisation and seismic velocities. Gravimetry and magnetism lead to density and magnetisation models with a very good lateral resoltuion within the first kilometres but with very low vertical resolution. Surface wave tomography from noise correlations shows a good vertical resolution within the first kilometres, but poorly resolves the lateral velocity variations. Travel time tomography allows imaging seismic velocities up to great depths with a good lateral resolution but a poor vertical resolution. We propose a method to invert jointly the seismological and gravimetric data in order to produce a velocity and density model that takes advantage of the complementary resolutions associated with the different datasets.Our results outline a NNW-SSE trend, with velocities and densities roughtly decreasing southwards, in accordance with the southward migration of volcanism across the geological history of the island. We observe low densities, seismic velocities and magnetisations in the area of the dome of the Soufrière volcano as well as in the Bouillante area along the western coast, reflecting the high hydrothermal alteration of these areas. Two major old eruptive centres are identified in the areas of Beaugendre Valley and Petite Plaine Valley.

Les Alpes occidentales, résultat de la collision entre la plaque Eurasie et le promontoire apulien de la plaque Afrique, traversent l'Europe sur près de 1200 km. C'est l'une des chaînes de montagnes les mieux étudiées au monde, notamment par des méthodes d'imagerie géophysique. Celles-ci ont permis de réaliser plusieurs grands profils d'échelle crustale par sismique active. Parallèlement, la sismicité de magnitude relativement modérée a motivé le déploiement de réseaux sismologiques denses permettant de localiser plusieurs milliers d'évènements par an. Ces données apportent énormément d'information sur la géodynamique actuelle des Alpes et ont servi à réaliser plusieurs tomographies. L'ensemble de ces travaux permet une bonne compréhension de la chaîne, cependant des incertitudes persistent motivant la présente étude dont l'ambition est de réaliser une tomographie de la lithosphère des Alpes occidentales.Notre étude s'appuie sur plus de 791000 temps d'arrivée d'ondes P et S émises par plus de 36000 séismes locaux et enregistrées par 375 stations. Le domaine d'étude de 456x414 km2 couvre le sud-est de la France, le nord-ouest de l'Italie et la majeure partie de la Suisse. Dans ce domaine, la majorité des séismes a lieu dans les premiers 15 km de la croûte et grande partie des temps d'arrivée correspondent à des ondes réfractées au toit du manteau. Cela permet d'obtenir une résolution convenable à la fois dans la croûte et dans le toit du manteau. L'intérêt d'utiliser un grand nombre de données est double : cela assure une couverture relativement complète du domaine et améliore par la loi des grands nombres la précision du modèle déterminé. Toutefois, ce type de jeu de données nécessite un traitement adapté pour gérer les inévitables données aberrantes.La tomographie par temps d'arrivée de séismes locaux de la lithosphère a été réalisée à l'aide du code INSIGHT, développé au cours de cette étude à partir d'un code de V. Monteiller et B. Valette. Le modèle est constitué des valeurs de vP et vP/vS en chaque nœud d'une grille 3D à taille de maille constante, des localisations et des paramètres d'effets de site analogues aux « corrections statiques » de la prospection sismique. Le modèle vP a priori pour la croûte et le manteau supérieur est une fonction continue de la profondeur. Les localisations initiales des foyers ont été obtenues à l'aide du code LOCIN développé pour cette étude et permettant de déterminer une densité de probabilité par recherche sur grille. Les temps de propagation sont déterminés pour les premières arrivées en intégrant la lenteur le long des rais ; la géométrie de ceux-ci est déterminée par le maximum du gradient des temps de propagation, eux-mêmes calculés par la résolution de l'équation eikonale par différences finies. L'inversion est menée par une approche de moindres carrés non-linéaires, basée sur une description stochastique des données et des paramètres du modèle.La topographie du Moho est déduite de ce modèle de tomographie en prenant le maximum du gradient de vP obtenu entre les isovitesses 7,3 et 7,6 km/s. Cette information est complétée par des modèles issus de précédentes études. La large proportion d'ondes réfractées de notre lot de données permet un niveau de détails relativement fin. Ce modèle du Moho est ensuite introduit comme interface a priori dans un nouveau processus de tomographie dans lequel les paramètres vP et vP/vS de la croûte et du manteau sont décorrélés. La discontinuité du Moho est mieux modélisée et les ondes réfractées sont mieux déterminées. Cette approche permet par ailleurs de calculer les temps de propagation des ondes directes lorsque celles-ci arrivent après les ondes réfractées : plus de 100000 temps d'arrivées sont ainsi ajoutés aux données et la résolution dans la croûte est améliorée.Ces deux tomographies, la topographie du Moho et les localisations fines apportent de nouvelles informations sur les structures profondes des Alpes occidentales. / The Alpine chain, which stretches in the middle of Europe across six countries, is probably the most studied mountain range in the world. Geology and metamorphism studies contributed for a large part to the current understanding of the geodynamics and history of this region. Since the second half of the 20th century, geophysical methods were employed to study its lithosphere and several crustal cross-sections where performed, mainly using controlled-source seismology. In parallel, dense seismic networks were also deployed in France, Italy, and Switzerland in order to study the usually low-magnitude activity of the western Alps. Over the past 25 years, these networks have permitted to locate tens of thousands of local earthquakes. In the last two decades, local or regional tomographic studies have been conducted using subsets of this data, which substantially improved our understanding of the deep structure of the Alps.Here, and based on 36,000 seismic events, 375 stations and more than 791,000 P and S-waves arrival times, we performed a tomographic study on a 456x414 km2 area covering the western Alps. Even if most of these earthquakes occurred within the first 15 km beneath surface, a large part of the data is composed of refracted-waves, letting us insight the deep structure of the crust. The interest of such a large dataset relies on the accuracy ensured by the law of large numbers, but the unavoidable presence of outliers requires a specific approach in order to handle it. The a priori earthquake locations were computed using the LOCIN algorithm developed in this study, which is basically a grid-search algorithm combined with a probabilistic approach.Tomography of the crust and upper mantle based on travel-times analysis was conducted using the INSIGHT algorithm which was developed in this study (based on a V. Monteiller and B. Valette algorithm). Our model consists of a set of vP and vP/vS values given at each node of a three-dimensional, regularly-spaced grid, which constitutes the inversion grid. Transition between crust and mantle is modelled by a continuous change in velocity, as we do not introduce any a priori information on the Moho interface. Earthquake locations and site-effect residuals at each station (analogous to "static corrections" in seismic prospecting) are also determined in the process. The forward computation of travel times in the 3D model is performed by integrating slowness along the rays, which are determined by a finite-difference resolution of the eikonal equation. Inversion is carried out using a non-linear least-squares approach based on a stochastic description of data and model. The smoothing and damping parameters are adjusted by means of L-curves analysis.The Moho topography is determined by matching two informations: (i) the maximum of the vP gradient within this preliminary tomographic model, taken in a 7.3-7.6~km/s range and (ii) information provided by previous studies to fix Moho depth in the border area of our study zone, where our model is poorly resolved. As our tomographic model relies on a large set of refracted waves, the Moho topography we build is detailed and presents interesting new insights for the western Alps. This Moho interface is then used as an a priori discontinuity in a new tomography process. Parameters within the crust and the upper mantle are then decorrelated, letting refracted-waves to be more correctly modelled. By this approach, we are able to compute not only the first- but also the second-arrival travel-time which corresponds to the direct wave in the crust for focus-station distances greater than 100-125 km. This allows us to add more than 100,000 new data to our dataset, which of course improves the resolution in the crust.Both tomographic models, the Moho topography and the earthquake relocations provides new evidences and constraints on the deep structure of the western Alps.

Les mouvements forts du sol générés par les séismes peuvent être reliés aux caractéristiques de la source sismique (chute de contrainte, vitesse de rupture, etc.), et aux conditions frictionnelles des failles. Ces caractéristiques sont généralement étudiées via l’analyse des enregistrements accélérométriques des grands séismes à basses fréquences (≤ 1 Hz). L'amélioration des réseaux accélérométriques a permis l’enregistrement de nombreux séismes de magnitudes faibles et modérées (Mw ≤ 6,0). Ces enregistrements contiennent des informations dans la bande de hautes fréquences (1 Hz - 50 Hz), qui ne peuvent pas être exploitées avec les méthodes sismologiques classiques.Pour exploiter ces données de mouvements forts des séismes de faible intensité dans l’objectif d’étudier étudier les conditions frictionnelles de l'interface de subduction, nous explorons deux méthodes pour comparer le contenu fréquentiel des séismes: la première basée sur les rapports spectraux et la deuxième basée sur les équations de prédiction du mouvement du terrain (GMPE). Ces méthodes ont été utilisées pour étudier la variabilité spatiale et temporelle du contenu fréquentiel des séismes rompant l'interface de subduction au nord du Chili et au Japon. Leurs avantages et limitations respectifs ont été analysés. Ces comparaisons méthodologiques nous ont a permis de confronter et de valider les résultats, et ainsi de proposer une nouvelle méthodologie fiable basée sur l'analyse des résidus de GMPE pour analyser le contenu fréquentiel des séismes.L'analyse des résultats obtenus a montré une dépendance avec la profondeur du contenu en fréquence des séismes de l’interface de subduction, concordant avec les observations de grandes ruptures de subduction [Lay et al., 2012]. En même temps, des variations du contenu fréquentiel des séismes ont été détectées le long de la fosse de subduction, ce qui nous a conduit à décrire une segmentation latérale de l'interface de subduction. Cette segmentation a été comparée avec la distribution spatiale de la sismicité, à la géométrie de l'interface de subduction et à ses conditions de glissement. Finalement, avant le séisme d’Iquique de 2014 (Mw 8.1) au nord du Chili, nous avons détecté une évolution temporelle du contenu en fréquence des séismes associée à l’occurrence d'un glissement lent précurseur au choc principal. / The strong ground motions generated by earthquakes can be related to the characteristics of the earthquakes source (stress drop, rupture velocity etc..), and therefore to the frictional conditions of the faults. These characteristics are usually studied by analyzing the low frequency band (≤ 1Hz) of the strong motion records of large earthquakes. The improvement of strong motion networks has generated large datasets of records of moderate and low magnitude earthquakes (Mw ≤ 6.0). These records contain informations in the high frequency band (1 Hz – 50 Hz), which cannot be exploited using classical seismological methods.In order exploit the strong motion records of low magnitude earthquakes to study the subduction interface’s frictional conditions, we explore two methods for comparing the earthquakes frequency content: the first one based on spectral ratios, and the second one based on the Ground Motion Prediction Equations (GMPEs). These methods have been used to investigate the spatial and temporal variability of the frequency content of subduction interface earthquakes in North Chile and Japan. Their respective benefits and limitations have been analyzed. These methodological comparisons allowed us to cross compare and validate the results, and to propose a new, reliable methodology based on the analysis of GMPEs residuals to compare the earthquakes frequency content.The analysis of the results showed a depth dependency of the frequency content of subduction earthquakes in agreement with the one derived from large megathrust ruptures [Lay et al., 2012]. Additionally, variations of the earthquake frequency content along trench have been detected, which may drive to a lateral segmentation of the subduction interface. This segmentation has been compared to the spatial distribution of the seismicity, the geometry of the subduction interface and its slippage conditions. Finally, before the occurrence of 2014 Iquique Earthquake Mw 8.1 in North Chile, a temporal evolution of the frequency content of the foreshocks has been detected, associated to a precursory slow slip of the subduction interface.

L'Himalaya résultant de la collision indo-asiatique, dans laquelle l'Inde plonge sous le Tibet, initie régulièrement des tremblements de terre destructeurs dont la plupart sont mortel pour les communautés népalaises et limitrophes. Telle une muraille séparant les plaines d’Inde et le haut plateau du Tibet, l’Himalaya façonne la circulation atmosphérique, affectant tant le climat régional que global. Cette thèse vise à se pencher sur l'histoire et l'évolution peu connue du climat et de la sismicité de l'Himalaya, dans une des régions les moins peuplées et la plus reculées du Népal occidental. Dans le contexte de changements climatiques et environnementaux, l'un des aspects les moins bien élucidés de l'histoire de l'Himalaya au cours du Quaternaire supérieur est celui de l'extension des glaciers ainsi que leurs impacts sur l'évolution du paysage. En nous appuyant sur des observations de terrain, sur des datations par nucléides cosmogéniques (10Be) ainsi que des observations satellitaires, nous avons pu estimer l'étendue maximale des glaciers durant le dernier maximum glaciaire. Soutenant ainsi l'hypothèse suivant laquelle la présence de glacier fut relativement plus étendue à l'échelle du Népal occidental mais pas de l’ordre d’une calotte glaciaire. Sur le plan sismologique, l’enjeu à la fois sociale, économique et politique de l’occurrence d’un séisme de magnitude plus élevée que le récent séisme de 2015 dont l’épicentre se situe près de la ville de Gorkha constitue une préoccupation majeure et motive en grande partie cette thèse. Le dernier séisme majeur ayant rompu le Main Frontal Thrust de magnitude supérieure à 8 (Mb) s’est déroulé le 6 juin 1505 et a considérablement impacté la population népalaise et environnante. Le caractère singulier du Népal occidental s’exprimant ainsi par l’hypothèse de la présence d’un hiatus sismique s’étendant sur plus de 500 ans sur base d’archives historiques et d’études paléosismologiques. Dans cette perspective, cette thèse se penche sur deux questions majeures relatives au comportement sismique de l'Himalaya : d'une part, l'hypothèse d'une lacune sismique dans l'Himalaya central et, d'autre part, de la distribution temporelle des séismes au cours de la fin du Quaternaire. A cette fin, une nouvelle approche de recherche, indépendamment du recours aux tranchées paléosismiques, a été mise en œuvre en Himalaya. En utilisant les lacs comme paleoseismomètre, au travers de la collecte de carottes sédimentaires, nous avons pu affiner la résolution temporelle et déceler des séismes à ce jours non répertorié dans les basses de données accessible et ce sur une échelle de 700 ans. La mise en évidence de séismes important (Mw>6.5) non répertorié indique que le Népal occidental connait une activité sismique comparable au centre du Népal et remet en question l’hypothèse d’un gap sismique au centre de l’Himalaya. Sur base d'une carotte sédimentaire plus longue provenant du même lac, nous avons étudié la distribution temporelle des séismes sur une période de 6000 ans, permettant ainsi de mettre en évidence le caractère aléatoire de l’occurrence des séismes constituant un changement de paradigme là où notion de cycle sismique est encore prépondérante. La mise en évidence du caractère aléatoire de l’occurrence des séismes tant à courte échelle de temps (instrumentale) qu’à l’échelle du Quaternaire infirme l’hypothèse du gap sismique au centre de l’Himalaya et mets en évidence le risque permanent pour le million de personnes concernées. Cette thèse s’achève en se penchant sur une possible relation à l’échelle globale entre la variation de taux de séismicité et les changements climatiques au cours de l’Holocène. Nous constatons ainsi que la sismicité globale connu des périodes de séismes accrue sur 7000 ans. Ces périodes de plus fortes activités semblent être synchrone avec la somme des avancées glaciaires de l'Holocène moyen et supérieur. / The Himalayan collision, in which India underthrusts below Tibet, regularly produces major destructive earthquakes in Nepal and its neighboring countries, most of which are fatal to nearby communities. As a wall dividing the Indian plains and the Tibetan plateau, the Himalaya also significantly modifies the atmospheric circulation, affecting both the local and global climate. This thesis explores the poorly known Quaternary history and evolution of Himalayan climate and seismicity, more particularly in the least populated and most remote region of Western Nepal. In terms of climate and environmental change, one of the least understood aspects of Himalayan history during the late Quaternary is the extension of glaciers and their impacts on landscape evolution. Based on field observations, cosmogenic nuclide dating (10Be) and satellite observations, we estimated the maximum extent of glaciers during the Last Glacial Maximum, which supports the hypothesis of a relatively large glacier cover, but not of an extended ice cap, at the scale of Western Nepal. In terms of seismology, the social, economic and political implications of the occurrence of an earthquake of higher magnitude than the recent earthquake of 2015, whose epicenter is located near the city of Gorkha, is a major concern and largely motivates this thesis. The last major earthquake of magnitude greater than 8 (Mb) took place on 6 June 1505 and had a profound impact on the Nepalese population and the surrounding area. In Western Nepal the 1505 event was the last earthquake that ruptured the Main Frontal Thrust according to historical archives and paleoseismological studies, which gave rise to the concept of a seismic gap in western Nepal and adjacent areas in northern India. With this in mind, this thesis addresses two major issues on the Himalayan seismic behavior: on the first hand is the hypothesis of a seismic gap in the central Himalaya and on the second the temporal distribution of earthquakes during the late Quaternary. For this purpose, a new research approach independent of paleoseismic trenches was applied in the Himalaya. By using lakes as paleoseismometers, we were able to refine the temporal resolution and identify earthquakes that had not yet been documented in the accessible databases on a 700-year scale. Our results from Lake Rara highlight significant previously-unknown earthquakes (Mw>6.5) and they reveal that Western Nepal is seismically as active as central Nepal. Furthermore, they call into question the hypothesis of a seismic gap in the central Himalaya. Based on a longer sediment core from the same lake, we studied the temporal distribution of earthquakes over a period of 6000 years, which has highlighted the random nature of the occurrence of earthquakes, constituting a paradigm shift where the notion of seismic cycle is still prevalent. The random nature of the occurrence of earthquakes both on short (instrumental) and Quaternary time scales disproves the hypothesis of the seismic gap in the central Himalaya and underlines the permanent risk for the million people of concern. The final part of this thesis addresses the possible global relationship between seismic rate fluctuations and climate change during the Holocene. Our results show that the global seismicity clustered over 7000 years and appears to be synchronous with the sum of glacial advances through the Mid and Late Holocene.

Au cours de leur propagation, les ondes sismiques sont atténuées par deux phénomènes : l'absorption causée par les propriétés anélastiques des matériaux, d'une part, et la diffusion ou " scattering " causée par la présence d'hétérogénéités de petite échelle dans le milieu d'autre part. L'objectif de cette thèse est de cartographier les propriétés de diffusion et d'absorption des ondes sismiques dans deux contextes géophysiques extrêmes présentant des échelles spatiales très différentes. La première partie du manuscrit est consacrée à la stratification d'hétérogénéité dans la Lune. À l'aide d'un modèle original de diffusion en géométrie sphérique, nous avons inversé les mesures de temps d'arrivée du maximum d'énergie et de décroissance de la coda sismique réalisée sur les données des missions Apollo. Nos inversions mettent en évidence un très fort contraste des propriétés de scattering entre le mégarégolithe très atténuant et le manteau lunaire profond transparent. L'atténuation est très largement dominée par le scattering et suggère la présence de fracturation jusqu'à environ 100 km de profondeur, affectant ainsi le manteau. Une nouvelle méthode d'estimation de la profondeur des séismes superficiels fondée sur les signaux diffus a été développée et permet de confirmer l'existence de failles actives autour de 50 km de profondeur. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la structure d'atténuation de Taïwan, une région qui présente des structures géologiques très variées dans un contexte tectonique de double subduction. On utilise la MLTWA (Multiple Lapse Time Window Analysis) -une méthode fondée sur le rapport entre énergie cohérente et incohérente du signal sismique- pour imager les variations latérales d'atténuation. Dans un premier temps nous avons travaillé dans l'hypothèse classique de diffusion isotrope dans un demi-espace. Nos résultats mettent en évidence un niveau d'atténuation globale très élevé ainsi que de forts contrastes des propriétés de scattering sur des échelles spatiales fines, de l'ordre de 10-20 km. La diffusion est particulièrement marquée dans les bassins de la côte ouest, le sud et la chaîne côtière associée à la collision avec l'arc volcanique de Luçon à l'est. L'absorption augmente graduellement vers l'est et atteint son maximum sous l'arc volcanique. L'examen de l'accord entre données et modèles a posteriori montre sans ambiguïté les limites de l'hypothèse de diffusion isotrope dans un demi-espace sur un ensemble de stations situées le long des côtes. Ceci nous conduit à explorer les effets de la diffusion anisotrope dans un guide d'onde modélisant la croûte. La prise en compte de l'anisotropie améliore significativement l'accord du modèle aux données. En particulier, à basse fréquence (1-2 Hz), notre étude démontre la prédominance de rétro-diffusion. Ce résultat est compatible avec la présence de forts contrastes d'impédance dans la croûte et suggère la présence massive de fluides dans les zones de failles et de volcans à Taïwan. La mesure de l'anisotropie de la diffusion ouvre des perspectives nouvelles de caractérisation des hétérogénéités géophysiques de petite échelle. / During their propagation, seismic waves are attenuated by two phenomena: on one hand, absorption caused by the anelastic properties of the materials, and on the other hand, scattering caused by the presence of small-scale heterogeneities in the medium. The aim of this thesis is to map the properties of scattering and absorption of seismic waves in two extreme geophysical contexts with very different spatial scales. The first part of this memoir is devoted to the stratification of heterogeneities in the Moon. We use a new diffusion model in spherical geometry to invert measurements of the time of arrival of the maximum of energy and the seismic coda decay on data from the Apollo missions. Our inversions provide evidence of a very sharp contrast of scattering properties between the highly attenuating megaregolith and the transparent deep lunar mantle. Attenuation is largerly dominated by scattering and suggests the presence of fractures down to about 100 km depth, into the mantle. A new method for estimating the depth of shallow moonquakes based on diffusive signals was developped and confirms the existence of active faults around 50 km deep. The second part of this thesis is devoted to the attenuation structure of Taiwan, a region with a wide variety of geological structures in the context of two subduction zones. We use the MLTWA (Multiple Lapse Time Window Analysis) -a method based on the ratio between the coherent and incoherent energy of the seismic signal- to image the lateral variations of attenuation. We worked first with the classical hypothesis of isotropic scattering in a half-space. Our results provide evidence for a globally high level of attenuation with sharp contrasts of scattering properties across small spatial scales, of the order of 10-20 km. Scattering is particularly strong in the basins of the west coast, southern Taiwan and the eastern Coastal Range associated with the collision with the Luzon volcanic arc. Absorption increases gradually eastwards and reaches a maximum below the volcanic arc. A posteriori examination of the fit between data and model shows unambiguously the limits of the hypothesis of isotropic scattering in a half-space for a number of stations located along the coasts. This leads us to explore the effects of anisotropic scattering in a guide for seismic waves representing the crust. Taking anisotropy into account significantly improves the fitness of the model to the data. In particular, at low frequency (1-2 Hz), our study shows the prevalence of backscattering. This result is compatible with the presence of sharp contrasts of impedance in the crust and suggests the strong presence of fluids in fault zones and volcanoes in Taiwan. The measurement of scattering anisotropy opens new perspectives for characterizing small-scale geophysical heterogeneities.

Le nord-ouest des Alpes est un domaine intraplaque présentant de très faibles déformations. C'est pourquoi il paraît délicat de déduire la probabilité d'occurrence d'un séisme de taille lithosphérique (magnitude supérieure à 7) à partir des observations de microsismicité. De telles observations sont en effet des processus superficiels et présentent peu ou pas de lien avec des processus profonds de plus grande ampleur. L'objectif est de déterminer le potentiel sismique d'un secteur au nord-ouest des Alpes en étudiant le champ de contrainte résultant d'un chargement gravitaire. Seuls les objets de taille lithosphérique, i.e. de l'ordre de la centaine de kilomètres sont pris en compte. Un modèle de contraintes à l'échelle 360 km par 400 km par 230 km d'épaisseur, centré sur la subduction fossile des Alpes de l'ouest et s'étendant jusqu'au nord de Strasbourg, est établi. L'étude des structures du nord-ouest alpin montre l'importance de l'orogène alpin qui se retrouve, enparticulier, dans les variations de profondeur des interfaces de la lithosphère. Une étude du champ de contrainte dans le socle a permis d'identifier une rotation des contraintes principales horizontales avec l'axe des Alpes. Bien que la valeur absolue des contraintes principales n'ait pas pu être déterminée, un rapport de valeur relative est calculé. Le résultat de la modélisation montre l'importance de la rhéologie dans le cas d'un chargement gravitaire. Si une rhéologie élastique est prise en compte, les directions de contrainte calculées sont totalement différentes des observations. Par contre, l'utilisation d'une rhéologie élasto-plastique combinée à l'utilisation d'une géométrie réaliste des interfaces lithosphériques permet d'obtenir des directions de contraintes cohérentes avec les données. / The north-west of the Alps is an intraplate domain with very slow deformations. So, it seems difficult to determine the probability of occurrence of a lithospheric earthquake (magnitude greater than 7) from microseismic observations. Such observations are superficial processes with little relation to deeper and bigger ones. The aim is to determine the seismic potential of a lithospheric sector north-west of the Alps, studying the stress field generated by a gravity driven model. This model is 360 km by 400 km by 230 km deep, centered on the west alpine fossil subduction and going up to the north of Strasbourg. The study of the north-west alpine structures shows the importance of the alpine orogen which generates variations in depth of the lithospheric interfaces. A study of the stress field in the basement shows a variation of principal stress directions along the strike of the Alpine chain. Even if the absolute magnitude of stresses could not be determined a relative magnitude ratio is calculated. Results underline the importance of rheology for a gravity driven model. If an elastic rheology is modeled, calculated stress directions do not match observations. However, using an elasto-plastic rheology with a realistic geometry of the lithospheric interfaces, we can obtain stress directions coherent with the data.

La multiplication du nombre de réseaux sismiques fait exploser le nombre de données sismologiques. Manuellement, leur traitement est long et fastidieux, d'où la nécessité d'automatiser la détection, la classification et la localisation des événements pour aider les observatoires qui surveillent continuellement la sismicité, mais aussi, dans un intérêt plus scientifique, rechercher et caractériser les phénomènes. La thèse se décompose en 2 axes majeurs : (1) la détection / localisation des séismes, avec le logiciel Waveloc. On a amélioré les outils pré-existants, ajouté de nouvelles fonctionnalités pour une analyse plus détaillée de la sismicité et validé le code avec les données du Piton de la Fournaise ; (2) la classification des séismes. Après calcul des attributs décrivant au mieux les signaux, on a démontré l'efficacité de 2 méthodes d'apprentissage supervisé (régression logistique et SVM) pour le Piton de la Fournaise et soulevé les difficultés pour un cas plus complexe (le Kawah Ijen). / For some time now the quantity of available seismological data has kept increasing. Manually, their processing is long and tedious. Then, the automation of the detection, location and classification of seismic events has become necessary and aims to help the local observatories and to search and characterize some rarer or not well-known phenomena. The work is divided into 2 main directions : (1) the detection and location of seismic events with the Waveloc software (we improved the pre-existing tools, added some new functions for a more detailed analysis of the seimicity and applied the code to data from the Piton de la Fournaise volcano) ; (2) their classification (after computing the seismic attributes, we proved the efficiency and reliability of 2 supervised learning methods - logistic regression and SVM - for the Piton de la Fournaise volcano, underlined the difficulties for a more complex case - the Kawah Ijen volcano - and tried to apply new strategies).

Durant cette thèse, nous appliquons la méthode de la corrélation de bruit ambiant dans la région particulièrement hétérogène des Pyrénées et des ses alentours (socle rocheux affleurant et bassin sédimentaires épais). Le jeu de données utilisé est une combinaison de deux réseaux temporaires large-bande français et espagnol (PYROPE et IBERARRAY) et de stations des réseaux permanents large-bande français et catalan. Le bruit sismique, enregistré pendant un an par les 158 stations est utilisé pour calculer les corrélations dans la gamme de période 5-55 s. Les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh et de l'onde de Love entre paires de stations sont inversées de manière linéarisée et nous obtenons, pour chaque période, des cartes de vitesses de groupe avec une résolution latérale d'environ 40 km. La comparaison entre les deux types d'ondes montre qu'il existe une anisotropie radiale à courtes périodes, alors que peu ou pas d'anisotropie radiale n'est visible aux périodes plus longues. Nous avons développé une nouvelle stratégie d'inversion des courbes de dispersion en modèle de vitesse d'onde S que nous avons appliqué sur les vitesses de groupe de l'onde de Rayleigh. Cette approche d'inversion est basée sur une exploration complète de l'espace des modèles et une inversion linéarisée. Le modèle obtenu, validé par la comparaison avec des résultats provenant d'autres méthodes, est le premier modèle 3-D crustale en vitesse d'onde S de la région et il permet d'apporter des contraintes sur la géodynamique des Pyrénées et de ses alentours. Deux points importants sont soulevés : (1) Des profils de vitesses atypiques sous l'Est du Massif Central, avec une croûte amincie et des vitesses anormalement faibles dans le manteau supérieur. (2) Deux anomalies de vitesses rapides sous la zone du Labourd-Mauléon et dans le prolongement du bassin de Parentis. Ces anomalies, situées à 25 km de profondeur, sont interprétées comme les traces de l'hyper-extension qui aurait précédée la phase de collision amenant à la formation des Pyrénées. La forte hétérogénéité de la zone permet également de faire l'analyse de l'influence de la non prise en compte des déviations de rais lors de l'inversion. Les premiers résultats montrent que le modèle obtenu en utilisant la théorie des rais droits ne permet pas d'expliquer les déviations calculées par la méthode de formation de voie. Ces déviations observées peuvent donc apporter une amélioration du modèle en considérant l'utilisation d'une inversion combinée. / In this thesis, we applied the ambient noise correlation method in the very heterogeneous region of the Pyrenees and the surrounding areas (mountain belt and thick sedimentary basins). The dataset used is a combination of two temporary broadband arrays from France and Spain (PYROPE and IBERARRAY) and stations of the French and Catalan permanent broadband arrays. Seismic noise recorded over years by the 158 stations was used to calculate correlations in a period range of 5-55 s. Observed Rayleigh and Love wave group velocities between pairs of stations were used as input to a linearized inversion scheme, where we obtained for each period group velocities maps, with a lateral resolution of approximately 40 km. The comparison between the two type of waves demonstrates radial anisotropy at short periods, while little or no radial anisotropy is present at long periods. We developed a new strategy for the inversion of dispersion curves to shear wave velocity models and applied it to the Rayleigh waves group velocity. This approach is based on the combination of a full exploration of the model space and a linearized inversion. The obtained model, validated by the comparison of our results with the results of other methods, is the first complete 3-D crustal Vs model of the region. We in particular note : (1) Atypical S-waves profiles in the Eastern part of the Massif Central which indicate a thinned crust and low velocities in the uppermost mantle. (2) High-velocity anomalies at 25 km depth beneath the Labourd-Mauléon area and the on-land continuation of the Parentis basin. We suggest that they are the traces of the hyper-extension which might have preceded the collision phase which lead to the formation of the Pyrenees. The strong heterogeneity of our study region is also well-adapted to analyze the influence of the ray deviations on the reconstruction of the model. First results show that the reconstructed model, using great-circle paths, does not explain the ray deviations as observed by beamforming. Observed deviations therefore carry the potential of improving the model in a combined inversion scheme.